包括碳纳米管的纳米机电器件及制造方法与流程

本技术要求2023年12月28日提交的欧洲专利申请第ep23383396.1号的权益。本公开涉及包括碳纳米管的纳米机电器件及其制造方法。

背景技术：

1、纳米机电系统（nems）是以纳米尺度尺寸的电气和机械能力为特征的器件。随着技术向越来越小型化发展，nems器件代表了从微机电系统（mems）器件进入纳米尺度领域的一步。纳米尺度的物理学不同于微尺度的物理学，并且量子效应在器件的物理行为中成为主导。这为新的器件概念和应用（诸如例如，量子计算和量子模拟）开启了可能性。然而，选择适当的材料以及以纳米尺度制造器件也带来它们自己的挑战。特别地，当前的加工技术普遍观察到低产率和高器件质量变化性的问题。

2、碳基材料是用于制造nems器件的优选材料之一，因为它们表现出非常适合nems器件的要求的机械、电气和机电特性。碳能够形成多种同素异形体，诸如金刚石、石墨、无定形碳、石墨烯或碳纳米管（cnt）。碳纳米管对于制造具有广泛应用的不同nems特别有前景。碳纳米管可以基本上理解为通过将石墨烯片材卷起而获得的圆柱体。一方面，单壁碳纳米管（swcnt）包括单个圆柱体，其通常表现出在纳米范围内的直径。swcnt的长度可能因例如制造技术而异，并且范围可以从数纳米到数微米（μm）。另一方面，多壁碳纳米管（mwcnt）包括多个嵌套圆柱体。取决于石墨烯片材被卷起的方式，cnt表现出不同的特性。此外，取决于其电子特性，cnt可以分类为金属型或半导体型。

3、碳纳米管具有优异的结晶度，这产生显著的机械特性，诸如极高的拉伸强度。此外，cnt的纳米结构也产生优异的热导率和电子电导率。基于其非凡的特性，基于碳纳米管的器件可以用于不同的应用，诸如超级电容器、场效应晶体管、传感器或量子比特（qubit）。

4、由于其纳米尺度尺寸，cnt是一维（1d）物体，并且它们将电子限制在1d中。当电子被限制在碳纳米管内的小区域时，形成了cnt量子点（qd）。这通常是在通过向若干栅电极施加电压而将单个cnt连接在两个电极之间时完成的。在此类情况下，电子可以被限制在具有离散能级的零维（0d）势阱中。另外，可以通过静电栅极沿着碳纳米管在一个或多个位置处限定一个或多个量子点，即通过在不同位置处布置电容耦合到cnt的一个或多个栅极，使得可以微调所述不同位置处的静电势，以便创建单个或多个量子点。

5、如所提到的，包括cnt的结构可以用作量子计算应用中的量子比特。量子比特是构成量子计算中的基本信息单元的两级量子系统。可以利用碳纳米管的不同特性并根据碳纳米管在系统中的布置来限定多种类型的量子比特。因此，可以通过将单个cnt连接在两个电极之间并沿着cnt的长度配置一个或多个栅电极来创建量子点（qd）。然后在碳纳米管的中间节段中形成qd，即在碳纳米管的在两个电极之间的节段中。电子可能被物理地限制在量子点中，并且量子信息可以被编码在例如被限制电子的自旋中，从而产生所谓的自旋量子比特。

6、还提出了包括碳纳米管的基于电荷的量子比特。可以设想不同类型的基于电荷的量子比特。例如，可以限定一个系统，其中两个量子点（qd）形成于布置在两个电极之间的cnt中。为了这个目的，可以沿着cnt的长度在不同位置处将多个栅极电容耦合到cnt。特别地，可以选择栅极的数量和布置，使得形成两个qd，并且它们被隧道势垒分离。因此，可以基于一个量子点中相对于另一量子点中的电子过量或存在来限定电荷量子比特。

7、基于cnt的量子比特的进一步示例包括在纳米机电量子比特中使用碳纳米管。因此，悬浮的cnt可以用作具有两个或更多量子化能级的纳米机电谐振器。

8、沿着振动纳米管放置的量子点提供可以直接解决电子-声子相互作用的量子模拟平台。

9、包括碳纳米管的纳米机电系统（nems）还可以用于其他应用，诸如用于小质量和力的传感器或场效应晶体管。在后一种情况下，半导体型碳纳米管可以用作晶体管沟道。

10、无论具体应用如何，大多数涉及使用碳纳米管的nems器件都包括碳纳米管的端部到相应电极的连接，以及对电容耦合到碳纳米管的一个或多个栅极的限定。此类器件的制造分成三个主要类别：底部栅极、顶部栅极和机械转移。

11、底部栅极涉及在预制在衬底上的电极上生长或沉积碳纳米管。预制电极充当碳纳米管的端部接触件，并且还充当栅极。这种技术存在一些缺点。这些缺点中的一个缺点与接触件的质量相关，该接触件的质量受到限制，因此碳纳米管仅仅位于电极的顶部上，并且接触面积可能非常小。更重要的是，底部栅极制造过程通常表现出非常低的产率，因为获得工作器件依赖于获得位于精确位置处的具有期望特性的单个碳纳米管的机会。特别地，位于这样的位置处，其中碳纳米管仅在其端部中的每个端部处接触第一电极和第二电极，即源极和漏极。

12、顶部栅极涉及在先前提供在衬底上的碳纳米管的顶部上制造包括一个或多个栅电极的电极。例如氧化物的绝缘材料通常在碳纳米管与栅极之间设置在它们重叠的区域中。以这种方式，使得能够电容耦合，并且防止短路。顶部栅极制造过程也表现出一些局限性。特别地，需要图案化和蚀刻步骤来限定电极，即器件的源极、漏极和栅极。这样做可能会对已经沉积的碳纳米管造成损坏。另外，顶部栅极器件保持碳纳米管埋入绝缘材料中，或者至少与绝缘材料接触。已知这种接触由于由绝缘材料中存在电荷陷阱导致的电荷波动而影响碳纳米管的特性。此外，与碳纳米管接触的绝缘材料的存在对于某些应用是一种障碍，例如在纳米机电量子比特中使用碳纳米管的挠曲模态。

13、制造过程的第三类别包括机械转移。在这种情况下，进行对单独碳纳米管的处理。因此，碳纳米管被转移到被预先限定在衬底上的对应电极。单独的处理和转移允许高度可控和精确的放置。此外，这种方法允许选择特定碳纳米管，并产生干净的结构。然而，对碳纳米管的处理具有挑战性，并且它可能容易造成损坏，该损坏可能影响所转移的碳纳米管的机电特性。

14、在本公开的示例中，提供了包括碳纳米管的改进的纳米机电（nems）器件。此外，在本公开的示例中，提供了减少前述缺点中的至少一些缺点的制造方法。

技术实现思路

1、在本公开的一个方面，提供了一种基于碳纳米管的纳米机电器件。该器件包括衬底、第一电极和第二电极。第一电极在衬底上，并且其被配置为器件的源极或漏极。第二电极也在衬底上，并且其被配置为器件的源极和漏极中的另一者。该器件进一步包括碳纳米管，该碳纳米管具有连接到第一电极的第一端部和连接到第二电极的第二端部，碳纳米管的中间节段的至少一部分悬浮在衬底的表面上方。一个或多个第三电极布置在碳纳米管上方，第三电极被配置为电容耦合到碳纳米管的顶部栅极。在碳纳米管的顶部部分与顶部栅极中的至少一个顶部栅极的底部部分之间存在空的空间。

2、根据这个方面，呈现了一种具有改进的能力的器件。当整个中间节段悬浮在衬底的表面上方时，可以提供完全悬浮的碳纳米管（cnt）。换句话说，该器件可以被配置成使得碳纳米管悬挂在与第一电极和第二电极建立的端部接触之间，并且在碳纳米管与衬底之间没有提供进一步的支撑。通过防止与衬底接触，获得了cnt与衬底之间的界面处的降低的不确定性，从而改进了器件性能。此外，还避免了由衬底中的电荷波动导致的对cnt特性的影响。

3、一个或多个顶部栅极布置在碳纳米管附近，使得它们电容耦合到碳纳米管。因此，顶部栅极被配置成在碳纳米管中引起可控的静电势。顶部栅极的布置（例如，数量和位置）以及可控性为器件提供了增强的灵活性，可以针对不同的应用对器件进行配置。

4、此外，顶部栅极设置在碳纳米管上方，但是它们中的至少一个设置成没有任何物理接触。换句话说，顶部栅极中的至少一个顶部栅极与碳纳米管的中间节段（即，碳纳米管的不连接到第一电极和第二电极的节段）重叠，但是在碳纳米管与该特定顶部栅极之间没有建立直接或间接的物理接触。因此，在碳纳米管的顶部部分与被配置为顶部栅极的这个特定第三电极的底部部分之间存在空的空间，使得对应的顶部栅极处于浮动配置。这种物理分离防止电荷波动，该电荷波动是由于设置在先前存在的器件中的碳纳米管与栅极之间的材料（例如，氧化物）中存在电荷陷阱而导致的。因此，不存在与碳纳米管的悬浮节段的任何直接接触可以产生增加的电子迁移率，并因此通过碳纳米管的增加的电导率。

5、此外，碳纳米管与一个或多个顶部栅极和衬底两者的分离允许利用碳纳米管的机械特性。这种分离使得能够利用碳纳米管的挠曲模态，从而开启存储量子信息和将器件用作纳米机电量子比特的可能性。

6、特别地，在其中在碳纳米管的顶部部分与所有顶部栅极的底部部分之间提供空的空间的情况下，碳纳米管的挠曲模态可以对应于碳纳米管的中间节段的完整长度的挠曲模态。在其他示例中，如前面提到的，可以在碳纳米管与一个或多个顶部栅极中的至少一个顶部栅极之间建立物理接触。此类物理接触可以允许分割碳纳米管的挠曲模态。

7、在本公开的进一步的方面，提供了一种制造根据先前方面的器件的方法。该方法包括提供衬底并在衬底上提供第一绝缘层。在第一绝缘层上提供多个碳纳米管。该方法进一步包括检测多个碳纳米管中的至少一个碳纳米管并识别所检测的碳纳米管的纵向端部。在第一绝缘层上并且至少在所检测的碳纳米管上沉积第二绝缘层。该方法然后包括通过在包围纵向端部中的每个纵向端部的区域中蚀刻第一绝缘层和第二绝缘层来暴露所检测的碳纳米管的纵向端部。在蚀刻区域中沉积导体以限定第一电极和第二电极，导体接触碳纳米管的纵向端部。还在与碳纳米管的中间节段重叠的区域中的第二绝缘层上沉积导体，以形成被配置为顶部栅极的一个或多个第三电极。最后，该方法包括在第一电极与第二电极之间的区域的至少一部分中并且沿着碳纳米管的长度蚀刻第一绝缘层和第二绝缘层。

8、根据本公开的这个进一步的方面的示例，提供了一种制造mems器件的方法，该mems器件包括栅极控制的、悬浮的或完全悬浮的碳纳米管。

9、根据这个进一步的方面的方法使得在检测碳纳米管之后制造电极。以这种方式，可以选择具有期望特性（例如，长度或形状）的单独的碳纳米管。之后，为单独选择的碳纳米管制造特定的电极。这种制造过程提供了高产率，并消除了对机会的依赖，这是常用过程的特征，特别是那些涉及底部栅极的过程的特征。

10、此外，在提供碳纳米管之后制造顶部栅极结构，使得它们不需要忍受可能在其他制造方法中存在的碳纳米管生长的苛刻条件。以这种方式，相对于先前存在的方法中的一些方法，放宽了栅极材料约束。

11、这个方面的进一步的优点在于该制造方法提供了比其他制造方法（诸如涉及机械处理和转移单独的碳纳米管的方法）更高的可扩展性和自动化。因此，根据本公开的方法可以利用自动纳米管定位和自动蚀刻和图案化程序来进行，以用于形成不同的电极。

12、在整个本公开中，碳纳米管的中间节段应被理解为碳纳米管的不连接到第一电极和第二电极的节段。换句话说，中间节段是指碳纳米管的在第一电极与第二电极之间延伸的部分。

13、此外，在整个本公开中，提到了不同的电极，这些不同的电极被配置用于不同的用途。因此，术语第一电极是指被配置为器件的源极或漏极的接触电极，而术语第二电极是指被配置为器件的源极或漏极中的另一者的接触电极。此外，术语第三电极是指被配置为器件的顶部栅极的顶部栅极电极，而术语第四电极是指被配置为器件的底部栅极的底部栅极电极。