基于碳纳米管的射频设备的制作方法

1.本发明一般涉及用于制造基于高性能碳纳米管(cnt)的毫米波晶体管和单片毫米波集成电路(mmics)的方法和系统，以及基于此的设备和装置。


背景技术：

2.射频(rf)功率放大器商业应用的主要驱动力是智能手机和平板电脑。例如，现代智能手机包含4到5个功率放大器，它们是基于互补金属氧化物半导体(cmos)设备，带有iii
‑
v化合物半导体和绝缘体上的硅开关。随着4g技术的日益普及，全球无线手机产量从2010年的15亿部稳步增长到2015年的20多亿部。此外，无线连接平板电脑的生产正在快速增长，从2010年的800万台增长到2015年的3亿多台，预计到2020年将超过5亿台。功率放大器的其他商业市场包括基站、卫星通信和全球定位系统设备，预计这些设备需要更大和更快的数据传输和接收要求。对于lte基站市场，2015年的收入预计为6亿美元，到2020年将超过14亿美元。据估计，机对机卫星通信市场在2014年估计价值约为30亿美元，预计到2019年将达到48亿美元左右。这代表了移动通信和计算消费设备中对更高和更快的数据传输能力的日益增长的需求。因此，为了支持对更大数据带宽的日益增长的需求，需要当前技术的持续增强以及具有卓越低功率和高线性度的下一代功率放大器原型的新发展。


技术实现要素：

3.在许多实施方式中，本发明涉及用于制造基于高性能碳纳米管(cnt)的毫米波晶体管和单片毫米波集成电路(mmics)的方法和系统，以及基于它们的设备和装置。
4.许多实施方式针对基于碳纳米管的射频设备，包括:
5.·
在其表面上设置有平行纳米信道阵列的基板；
6.·
源电极和漏电极，设置在基板上，并限定其中设置有纳米信道的信道；
7.·
多个单独定向的电子纯单手性单壁碳纳米管，其直径分布窄，设置在纳米信道内并直接桥接信道；
8.·
设置在碳纳米管阵列与源电极和漏电极之间的共轭电解质层；和
9.·
设置在信道内的至少一个栅电极。
10.在许多实施方式中，碳纳米管具有至少99％的纯度，长度大于1微米，直径大于0.7纳米，直径分布为
±
0.1纳米。
11.在许多实施方式中，碳纳米管的直径约为1.6纳米
±
0.1纳米。
12.在许多实施方式中，碳纳米管被布置在纳米信道内，使得各个单独的碳纳米管之间没有点交叉。
13.在许多实施方式中，纳米信道具有至少1微米的长度和60纳米的宽度。
14.在许多实施方案中，纳米信道用聚赖氨酸(poly(l
‑
lysine))功能化。
15.在还有许多实施方式中，碳纳米管密度约为每微米10至30个碳纳米管。
16.在许多实施方式中，栅电极选自t栅极、背栅和嵌入式背栅。
17.在还有许多实施方式中，纳米信道由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)材料形成。
18.在仍有许多实施例中，该装置具有ion/w>500ma/mm、ion/ioff>1000、f
t
和f
max
>50ghz以及比其1db压缩功率(p1db)至少高10db的三阶交调截距(third
‑
order intercept)(ip3)。
19.各种实施方式涉及形成基于碳纳米管的顶栅射频设备的方法，包括:
20.·
提供基板并形成多个纳米信道；
21.·
将多个直径分布窄的单独定向的电子纯单手性单壁碳纳米管置于纳米信道内，形成碳纳米管阵列；
22.·
清洗碳纳米管阵列以去除不需要的碳纳米管；
23.·
在碳纳米管阵列顶上沉积漏极预焊盘(pre
‑
pad)和源极预焊盘(pre
‑
pad)，以在所述漏极和所述源极预焊盘之间形成信道，并且使得碳纳米管阵列直接桥接所述信道；
24.·
在碳纳米管阵列顶部的信道内形成电介质栅电极结构；
25.·
在碳纳米管阵列顶部沉积界面共轭电解质层；和
26.·
在漏极预焊盘、源极预焊盘、栅电极结构和界面层上沉积一组导电源极、漏极和栅电极层，以将电极和碳纳米管阵列电互连。
27.在其他各种实施方案中，该方法还包括通过迭代梯度超速离心纯化纯的单手性单壁碳纳米管，使得碳纳米管具有至少99％的纯度、大于1微米的长度和大于0.7纳米的直径，直径分布为
±
0.1纳米。
28.在又一些实施方式中，形成碳纳米管阵列还包括:
29.·
在基板顶上沉积抗电子束层；
30.·
通过电子束蚀刻在抗电子束层中形成多个纳米信道；
31.·
用聚赖氨酸材料使信道功能化；
32.·
清洗功能化的信道；
33.·
在功能化信道上沉积碳纳米管的溶液，其中该溶液是由一种或多种表面活性剂分散的碳纳米管的混合物；
34.·
烘烤基板；
35.·
清洗烘烤过的基板以去除多余的碳纳米管；和
36.·
从基板上去除抗电子束材料。
37.在其他各种实施方案中，表面活性剂是胆酸钠和十二烷基磺酸钠。
38.在其他各种实施方式中，碳纳米管被布置在纳米信道内，使得各个单独的碳纳米管之间没有点交叉。
39.一些实施方式涉及形成基于碳纳米管的背栅射频设备的方法，包括:
40.·
提供基板并在其上形成漏极、源极和栅极预焊盘以限定信道；
41.·
在预焊盘上沉积一层电介质；
42.·
在介电层顶上形成多个纳米信道，并在纳米信道内设置多个单独定向的具有窄分布直径的电子纯单手性单壁碳纳米管，形成直接桥接所述信道的碳纳米管阵列；
43.·
清洗碳纳米管阵列以去除不需要的碳纳米管；
44.·
在碳纳米管阵列顶部沉积界面共轭电解质层；和
45.·
在漏极预焊盘、源极预焊盘和界面层上沉积一组导电源极、漏极和栅极电极层，
以将电极和碳纳米管阵列电互连。
46.在一些实施方式中，该方法还包括通过迭代梯度超速离心纯化纯的单手性单壁碳纳米管，使得碳纳米管具有至少99％的纯度、大于1微米的长度和大于0.7纳米的直径，直径分布为
±
0.1纳米。
47.在一些实施方式中，形成碳纳米管阵列还包括:
48.·
在介电层顶上沉积抗电子束层；
49.·
通过电子束蚀刻在抗电子束层中形成多个纳米信道；
50.·
用聚赖氨酸材料使信道功能化；
51.·
清洗功能化的信道；
52.·
在功能化信道上沉积碳纳米管的溶液，其中该溶液是由一种或多种表面活性剂分散的碳纳米管的混合物；
53.·
烘烤基板；
54.·
清洗烘烤过的基板以去除多余的碳纳米管；和
55.·
从基板上去除抗电子束材料。
56.在又一些实施方案中，表面活性剂是胆酸钠和十二烷基磺酸钠。
57.在又一些实施方式中，碳纳米管被布置在纳米信道内，使得各个单独的碳纳米管之间没有点交叉。
58.其它的实施方式和特征部分在下面的描述中阐述，并且一部分在查看本技术说明书后对于本领域技术人员来说将变得显而易见，或者可以根据所公开的主题通过实践来习得。通过引用，构成本技术一部分的说明书和附图的剩余部分，可以实现对本技术的性质和优点的进一步理解。
附图说明
59.参考以下附图和数据图表，将更全面地理解说明书和权利要求，这些附图和数据图表是作为本发明的示例性实施方式呈现的，并且不应被解释为对本发明范围的完整叙述。
60.图1a示出了根据本发明各种实施方式的基于碳纳米管的射频(rf)设备。
61.图1b示出了根据本发明的各种实施方式的具有顶栅(顶部)、背栅(中部)和嵌入式背栅(底部)的基于碳纳米管的射频(rf)设备。
62.图2a示出了根据本发明各种实施方式的碳纳米管的界面区域。
63.图2b提供了显示根据本发明各种实施方案的未改性碳纳米管的电阻对触点长度的数据。
64.图2c提供了显示根据本发明的各种实施方式的具有与其相关联的界面层的碳纳米管的电阻对触点长度的数据。
65.图3a和3b提供了显示根据本发明各种实施方案的高纯度碳纳米管的光谱的数据。
66.图3c提供了显示根据本发明各种实施方案的碳纳米管电阻对信道长度的数据。
67.图3d提供了根据本发明各种实施方式的碳纳米管阵列的图像。
68.图3e提供了根据本发明各种实施方式的示例性cnt rf fet设备的图像。
69.图3f提供了根据本发明的各种实施方式的示例性cnt rf fet设备的功率增益和
频率的数据。
70.图3g提供了根据本发明的各种实施方式的示例性cnt rf fet设备的增益数据。
71.图3h提供了根据本发明各种实施方式的示例性cnt rf fet设备的噪声数据。
72.图4a提供了根据本发明各种实施方案的碳纳米管纯化过程的过程图。
73.图4b至4e提供了根据本发明各种实施方式的纯化碳纳米管的光谱。
74.图4f提供了根据本发明各种实施方式的肖特基触点(shottky contact)的电流对偏压的数据。
75.图4g提供了根据本发明的各种实施例的pmos和nmosfet的i
ds
数据。
76.图5a示出了根据本发明各种实施方式的纳米信道阵列。
77.图5b提供了根据本发明各种实施方式的纳米信道阵列和cnt rf设备的图像。
78.图6示出了根据本发明的各种实施方式形成纳米信道阵列的过程。
79.图7a和7b提供了根据本发明各种实施方式的沉积纳米管的afm图像。
80.图8a至8d提供了根据本发明各种实施方式的碳纳米管阵列的图像。
81.图9提供了根据本发明各种实施方式的形成顶栅cnt rf fet设备的工艺的工艺流程图。
82.图10示出了根据本发明各种实施方式的t栅cnt rf fet设备的特性。
83.图11提供了根据本发明各种实施方式的形成背栅cnt rf fet设备的工艺的工艺流程图。
84.图12a提供了根据本发明的各种实施方式的cnt rf fet设备的传输数据。
85.图12b提供了根据本发明的各种实施方式的cnt rf fet设备的输出数据。
86.图13a示出了根据本发明各种实施方式的rf测量设置。
87.图13b提供了根据本发明各种实施方式的cnt rf fet设备的典型史密斯图表(typical smith charter)。
88.图13c提供了根据本发明各种实施方式的cnt rf fet设备测量的s
‑
参数。
89.图13d提供了根据本发明各种实施方式的cnt rf fet设备的预期的本征和非本征f
t
和f
max
。
90.图14a提供了根据本发明各种实施方式的晶圆级cnt rf设备的图像。
91.图14b提供了根据本发明各种实施方式的晶圆级cnt rf设备的转移特性。
92.图15a至15d提供了:15a)cnt内部源漏触点的sem图像；15b)t栅极的sem；15c)t栅极cnt rf设备的1db压缩；和15d)t栅极cnt rf设备的典型f
max
结果，所有这些都符合本发明的各种实施方式。
93.图16a提供了根据本发明各种实施方式的示例性cnt tf trf设备的图像。
94.图16b提供了根据本发明各种实施方式的权利要求16a的设备的典型f
max
数据。
具体实施方式
95.现在转到附图和数据，本发明的实施方式通常涉及基于高性能碳纳米管(cnt)的毫米波晶体管技术，并展示了基于该技术的单片毫米波集成电路(mmics)及其制造方法和工艺。与现有的gaas、sige和rf
‑
cmos技术相比，这种cnt技术和单片集成电路(mmics)的各种实施方式展示了改进的功率效率、线性度、噪声和动态范围的性能。根据实施方式，高性
能cnt基晶体管技术和毫米波频率下的晶圆规模单片集成电路能够商业化，以更低的成本优于现有的半导体高频技术(gaas、sige、rf
‑
cmos)。cnt对准和沉积、材料接触和掺杂中的方法和工艺的实施方式被配置成制造超越当前技术水平的高质量cnt阵列。这些实施方式还建立了能够生产高性能射频(rf)晶体管的稳健工艺，所述高性能射频晶体管可缩放至晶圆尺寸，从而能够制造基于cnt的单片集成电路。
96.半导体单壁碳纳米管(cnt)具有非常理想的特性，是场效应晶体管(fet)信道的理想材料，例如一维(1d)弹道输运、高载流子迁移率、固有线性和小尺寸等。单cnt的fet的室温弹道输运接近量子电导极限(2g
o
＝4e2/h＝155us)早在十多年前就被证实(参见，例如，javey，a.，etal.，nature2003，424，654
‑
657，其公开内容通过引用并入本文)。基于对单个cnt特性的推断，预计由cnt平行阵列组成的fet将显著改善能量延迟，从而改善逻辑设备的速度和功耗，并提高rf应用的线性度和效率。这种使能技术将对减小电子元件的尺寸、重量、功率和成本(swap
‑
c)产生重大影响。然而，由于一些技术挑战，这一潜力尚未完全实现:1)缺乏消除管间交叉连接和获得具有最佳cnt堆积密度的平行定向cnt阵列的技术；2)金属cnt的存在导致半导体纯度不理想；3)cnt阵列形成高导电欧姆触点的困难。
97.最近的一些发展已经在克服cnt阵列的分类、处理、对准和触点的挑战方面取得了显著的进展，并且已经导致cntfet可以优于传统的硅和gaasfet(参见，例如，g.j.brady等，sci.adv.2016；2:e1601240，其公开内容通过引用并入本文)。首次在硅和石英基板上实现了半导体纯度高于99.98％的平行定向的cnt阵列。
98.使用这些cnt阵列构建的fet实现了室温准弹道输运，信道电导接近量子电导极限，比以前最先进的cnt阵列fet高7倍。此外，使用石英基板上沉积的良好定向的cnt阵列的高频fet实现了电流增益截止频率(f
t
)和大于70ghz的最大振荡频率(f
max
)(例如，见y.cao等人，acsnano，第10卷，第6782
‑
6790页，2016，其公开内容通过引用并入本文)。
99.虽然这些设备性能的突破为最终利用数千条具有线性电流密度特性的定向、栅极可控传导路径的一维(1d)传输特性来改善高频电路性能提供了机会，cntfet仅被证明适用于微波频率。到目前为止，cntfet还没有被证实具有毫米波频率或更高的频率。实施方式针对显示更高的f
t
和f
max
(例如，大于100ghz)以及改进的阵列纯度、对准和接触电阻的cntfet。实施方式还涉及能够以较低成本优于现有半导体高频技术(gaas、sige、rf
‑
cmos)的毫米波频率的高性能基于cnt的晶体管技术和晶圆级单片集成电路。实施方式还涉及用于cnt对准和沉积、材料接触和掺杂的方法和工艺，其能够产生高质量的cnt阵列，并基于这种cnt，生产环境稳定的高性能rf晶体管。方法和工艺的实施方式可缩放至晶圆尺寸，以实现单片集成电路的制造。根据实施方式的高性能碳纳米管rdfet还将在简单制造、高数据传输率、低功耗、长电池寿命和低成本方面具有优势，这将允许用于无线通信，例如移动、gps、wifi、车库门遥控器、无线电和电视(卫星和广播)。
100.具体来说，为了满足此类产品日益苛刻的技术要求，射频芯片技术必须不断发展，以提高成本和性能。实施方式将允许制造能够在智能手机和新兴移动通信市场中使用的电子设备，该电子设备具有集成的rf收发器芯片，该芯片具有各种无线电设备(lte、wcdma、wimax、wifi等)，这些无线电设备基于使用具有优异性能的cntfet作为“弹道传输”结果的优异设备技术。更广泛的影响包括(1)用于无线电通信产品的替换rf晶体管的引脚(pin
‑
to
‑
pin)下降，(2)用于基站和新兴毫微微蜂窝趋势的离散功率放大器模块(3)25至250ghz
的先进毫米波通信和成像(4)用于例如普通网络和认知无线电等5g先进功能的集成方法。
101.通过在一维纳米材料如碳纳米管(cnt)中引入弹道传输机制，实施方式超越了基于硅和iii
‑
v的传统半导体设备解决方案。弹道式设备传输实现了最高的设备效率和频谱线性度，以适应5g干扰平均技术，如频谱效率、滤波技术和干扰消除不足的跳频。根据实施方式的rfcnt设备具有提供更高带宽(ghz向thz操作)、改善的线性度(更少的射频元件和滤波需求)、更高的效率(增加的电池寿命)和与现有cmos集成工艺的兼容性(降低的成本)的潜力。
102.实现cntrf设备的实施方式
103.实施方式实现了碳纳米管使能的rf设备，例如tftrf设备。许多这样的实施方式实现了设备架构，如图1a中一般所示，包括以下要素:
104.·
由合适的基板材料形成的基板，例如石英、玻璃、硅、氧化物等。
105.·
设置在基板上的源电极和漏电极预焊盘，在它们之间限定间隙。
106.·
栅电极，设置在间隙内，并设置在顶部(图1b，顶部)，背面(图1b，中间)或嵌入式背部(图1b，底部)之一。
107.·
形成在基板中并桥接漏极/源极之间的间隙的纳米级信道阵列，并且在其中设置有单独对准的单手性半导体单壁碳纳米管。
108.·
设置在碳纳米管阵列和源/漏电极之间的共轭聚电解质界面层(图2a)以降低接触电阻(例如，从每碳纳米管120千欧到每碳纳米管3千欧)，从而改善载流子注入，如全印刷设备和光刻制造设备所证明的(例如，参见图2b和2c)。
109.实施方式通过可集成到现有商业cmos工艺中的无滞后(hysteresis
‑
free)cmos兼容工艺流程，提供了在dc和rf度量中超过gaas、sige、rf
‑
cmos的功能毫米波单片集成电路。根据这些实施方式的cnt rf晶体管和cmos电路展示了以下度量(如附图3a至3h中所总结的):
110.·
dc:ion/w>500ma/mm，ion/ioff>1000，在一些实施方式中ion/w>700ma/mm，gm/w>700ms/mm；
111.·
rf:f
t
和f
max
>50ghz，在一些实施方式中f
t
>130ghz，f
max
>180ghz；
112.·
三阶交调截距(ip3)比其1db压缩功率(p1db)高至少10db，并且在一些实施方式中比其1db压缩功率(p1db)高至少15db。
113.在图3g和3h所示的实施方式中，利用这种cnt使能设备，可以设计任何数量的功能电路，包括噪声系数小于2db的低噪声放大器和输出功率大于30db的功率放大器(其都工作在30ghz)。由于碳纳米管fet的固有线性，高性能rf设备可广泛用于低噪声放大器、混频器和功率放大器的射频前端。
114.如下文将更详细描述的，为了形成能够展示期望的性能度量的rf设备，实施方式实现了许多特定的过程和设计配置。
115.实施电子纯swcnt制造方法的实施方式
116.实施方式结合了大规模分离方法以产生电子纯的单手性(例如，(6，5))swcnt。在许多这样的实施方式中，cnt表现出窄分布的大直径半导体碳纳米管(例如>0.7纳米，在一些实施方式中约为1.6纳米
±
0.1纳米)。根据这样的实施方式，这样的大直径碳纳米管表现出高跨导。
117.由于大直径碳纳米管的多分散性，它们的电性能通常因设备而异。随着直径的增加，形成碳纳米管的指数(m，n)数量增加。因此，手性差异变小，并且每个手性的丰度较低。总的来说，分离大直径cnt的单手性比分离小直径的碳纳米管cnt更具挑战性。因此，各种实施方式对窄分布的大直径半导体单壁碳纳米管(～1.6纳米
±
0.1纳米)实施大规模分选方法。许多这样的实施方式使用自形成梯度超速离心实现单壁碳纳米管纯化(参见，例如，seo，j.
‑
w.t.等人，《the journal of physical chemistry letters(物理化学快报)》，第4卷，第2805
‑
2810页，2013，其公开内容通过引用并入本文)，并且在一些实施例中，采用迭代密度梯度超速离心(i
‑
dgu)方法(参见，例如，kawai，m.等人，《the journal of american chemical society(美国化学学会杂志)》，第134卷，第9545
‑
9548页，2012年，其公开内容通过引用并入本文)。在一些这样的实施方式中，大直径的碳纳米管用色谱法进行富集。
118.更具体地，实施方式将开发使用具有单一或双重表面活性剂和每次迭代密度梯度介质的均匀加载的i
‑
dgu过程(图4a到4c)。各种实施方式在第一次迭代中利用一步梯度(碘克沙醇作为密度梯度介质)和胆酸钠(sc)作为唯一的表面活性剂，以分离出直径相对大于其余种类的半导体碳纳米管的良好个体化群体。通过将表面活性剂交换为pluronic嵌段共聚物f68或将十二烷基硫酸钠作为共表面活性剂添加到sc中，可以进一步缩小具有较大直径的碳纳米管在cscl介质(自形成密度梯度)中的直径分布。在这样的实施方案中，表面活性剂和密度梯度介质在两次迭代之间的交换可通过sc
‑
个体化(sc
‑
individualized)半导体swcnt通过涉及有机溶剂混合、过滤和漂洗的可扩展过程的临时聚集来实现，随后在cscl和f68基水溶液中再分散。对于共表面活性剂方法，可进一步透析sc
‑
个体化(sc
‑
individualized)swcnt以最小化碘克沙醇的浓度，并将其简单地添加到基于cscl和sc/sds的水溶液中。
119.根据实施方式，利用f68的自形成密度梯度超速离心提供了一种以高产率通过电子类型分选大直径范围为1.2
‑
1.6纳米的单壁碳纳米管(swcnt)的可扩展且快速的方法。此外，cscl产生的密度斜率比碘克沙醇小得多，因此提供了分离具有细微浮力密度差异的单壁碳纳米管的各种直径种类所需的更高分离分辨率。根据实施方式，i
‑
dgu的第二次迭代将分离并使得能够从具有最低浮力密度和窄直径分布的第一次迭代中提取良好个性化的s
‑
swcnt。根据实施方式，步骤和自形成密度梯度的使用，排除了对线性密度梯度和相关设备、努力和制备时间的要求，同时通过允许整个梯度加载cnt而使产量最大化，因此有利于向上扩展。
120.使用这样的工艺和方法，分离的大直径半导体单壁碳纳米管的纯度将>99％。根据各种实施方案，在1升浓度为0.01mg/ml/天的溶液中，分离的大直径swcnt的直径分布为～1.6纳米
±
0.1纳米。
121.大直径的碳纳米管比小直径的碳纳米管具有更大的跨导(参见，例如，chen，z.等人，nanoletters，第5卷，第1497
‑
1502页，2005；和tersoff，j.等人，physicalreviewletters，第111卷，第236802页，2013年，其公开内容通过引用并入本文)。对于根据实施方式的rf应用，直径～1.6纳米的半导体碳纳米管可以提供≈0.55电子伏的平均带隙。对于这些能级碳纳米管，据信载流子在cnt表面沿管轴方向传输，散射概率显著降低。最近，用窄分布大直径cnt(～1.6inm)制备的cntrffet分别显示出23ghz和20ghz的非本征ft和fmax。
122.分离的s
‑
swcnt的纯度和手性可以使用vis
‑
nir吸收、nir发光和拉曼光谱来识别(例如，参见图4b到4e)。非线性电流偏置曲线的纯半导体特性在金属|碳纳米管网络|金属双二极管中得到了证明。基于这些shottky二极管，制备的pmos和nmos场效应晶体管在p和n电荷载流子上均显示出f
a
截断电流和>108ion/ioff比(参见，例如图4f和4g)。第三方测试人员证实了swcnt的电子纯度。cnt的纯度允许实施方式在cnt电路中提供改进的性能。
123.实施单个单壁碳纳米管排列的实施方式
124.目前，报告的最佳cfet设备性能分别具有70ghz的f
t
和f
max
，以及在1ghz下用定向聚合物包裹纯化的单壁碳纳米管测得的33db的oip3(参见，例如，park，h.等人，《nature nanotechnology(自然纳米技术)》，第7卷，第787
‑
791页，2012年，其公开内容通过引用并入本文)。为了改善这些结果，实施方式以至少1微米的定向碳纳米管长度，以窄的密度范围(例如，10～30cnt/微米)实现设置在纳米凹槽中的单个分离的碳纳米管的定向，如图5a和5b所示。使用单个碳纳米管来减轻电子特性的变化，并具有高的碳纳米管密度以产生足够的电流密度。因此，已经发现实施方式利用耗尽力来提高rf设备的性能(参见，例如，wu，j.等人，《advanced materials》，第26卷，第6151
‑
6156页，2014年，其公开内容通过引用并入本文)。
125.具体来说，定向的碳纳米管将减少在传统碳纳米管网络中占主导地位的接触电阻和缠绕载流子传输的点交叉。此外，定向图案中不受控制的束带来了可以避免的电特性变化。根据实施方式，纳米尺度的沟槽限制与包裹在碳纳米管周围的表面活性剂的耗尽力相结合，允许形成单独定向的碳纳米管阵列，以直接桥接信道区域而不交叉或形成渗透网络，因为后者中的载流子迁移率由交叉形成的“点”触点决定，因此远低于管本身中的载流子迁移率。这种实施方式中的复杂之处在于将单个电子纯单手性单壁碳纳米管的排列按比例放大，以在晶圆规模上操作。
126.已经报道了几种方法来排列分离的碳纳米管，例如低频介电电泳(krupke，r.等人，《applied physics a(应用物理学a)》第76卷，第397
‑
400页，2003年；cao，q.等人，《nature communications(自然通讯)》，第5卷，第5071页，2014年；hennrich，f.等人，《acs nano》，第10卷，acsnano.5b05572页，2016)，分子吸引自组装，晶体模板(kawai，h.等人，《applied physics letters》，第105卷，第093102页，2014)，蒸发驱动自对准(shastry，t.a.等人，《small》，第9卷，第45
‑
51页，2013年；还有joo，y.h.等人，《langmuir》，第30卷，第3460
‑
3466页)，langmuir
‑
blodgett(li，x.等人，《journal of the american chemical society(美国化学学会杂志)》，第129卷，第4890
‑
48912007页)，langmuir
‑
shaeffer，溶液剪切(park，s.等人，《advanced materials》，第27卷，第2656
‑
26622015页)，以及消耗力(li，s.等人，《small》，第3卷，第616
‑
621页，2007和wu，j.等人，《small》，第9卷，第4142
‑
4148页，2013年)。然而，这些技术很难扩展到晶圆侧。
127.实施方式利用表面活性剂与各种表面的相互作用，在基板内形成的纳米尺度沟槽内(例如，通过电子束图案化)排列电子纯单手性半导体单壁碳纳米管。具体来说，如图6所示，在基板上的各种实施方式中，将涂覆抗电子束pmma。然后用电子束光刻来定义这些实施方式中的信道图案。信道的尺寸可以根据特定的应用和所需的cnt密度来定制。例如，在1微米(信道长度)
×
50微米(信道宽度)的轮廓中，1微米
×
60纳米的条带被蚀刻并被40纳米的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)侧壁分开。如果每个条带内仅定向一个碳纳米管，密度将为每μ
m10个碳纳米管。为了增加碳纳米管的密度，条带宽度可以从60纳米减小，而pmma侧壁可以从40纳米减小。
128.为了帮助碳纳米管的排列，图案化的条带可以用合适的材料(例如，聚赖氨酸水溶液)功能化。由于pmma的疏水性，聚赖氨酸水溶液将被限制在这些图案化的条带中。去除聚赖氨酸水溶液并用去离子(di)水广泛洗涤后，电子纯单手性单壁碳纳米管水溶液将沉积在这些聚赖氨酸功能化条带上。许多实施方式实施气溶胶喷射印刷技术来沉积一致且均匀的碳纳米管网络，并实施清洁方法来完全解吸用于将碳纳米管分散在水溶液中的表面活性剂。根据这些实施方式沉积的cnt网络的有序性和均匀性在afm高度图像中得到证明(参见，例如，图7a&7b)。
129.分散有胆酸钠(sc)的碳纳米管快速吸附在聚赖氨酸表面上，分散有十二烷基磺酸钠(sds)的碳纳米管缓慢地与聚赖氨酸相互作用，根据实施方案，可以优化合适比例的sc/sds以使碳纳米管在聚赖氨酸功能化的条带内排列。为了避免成束，碳纳米管浓度也可以被优化为在每个条带内具有一个碳纳米管。除去碳纳米管溶液后，将基板在120℃的加热板上烘烤10分钟。这一步是将定向的碳纳米管保持在其原始位置所必需的。然后用di水彻底清洗基底，以去除任何表面活性剂残留物。最后一步是通过将基板浸入合适的浴(例如，丙酮)中来去除抗电子束pmma。
130.根据实施方式，将利用扫描电子显微镜(sem)和原子力显微镜(afm)来表征获得的具有定向碳纳米管的图案。图8a至8d显示了根据这些实施方式的定向碳纳米管的sem和afm图像。
131.总之，在许多实施方式中，cnt使能的rf晶体管(例如，场效应晶体管)包括以下特征:
132.·
高纯度(>99％)窄分布大直径(～1.6纳米
±
0.1纳米)半导体碳纳米管(图3b)。
133.·
经由设备基板和cnt之间的界面偶极矩排列，降低载流子注入势垒和降低接触电阻(图2a)。
134.·
多个信道，其中设置有多个定向的cnt图4a)。
135.实施制造工艺的实施方式
136.虽然以上讨论集中在设备结构上，但是许多实施方式还涉及用于设备工程的cnt对准和沉积、材料接触和掺杂的方法和工艺，以产生超过当前状态的高质量cnt阵列，并且建立能够基于cnt生产环境稳定的高性能射频晶体管的稳健工艺。所有这些工艺的发展将可扩展到晶圆尺寸，从而能够制造单片集成电路。更具体地说，实施方案允许制造具有超纯半导体单壁碳纳米管的清洁排列的cnt膜，所述碳纳米管具有单手性和窄分布直径，在所述直径上，与界面共轭聚电解质触点的碳纳米管的接触电阻低于25千欧。方法和工艺的实施方式被配置成制造具有至少以下度量的晶圆级无滞后cntrf设备(例如，场效应晶体管):
137.·
dc:ion/w>500ma/mm，ion/ioff>1000，在一些实施方式中ion/w>700ma/mm，gm/w>700ms/mm；
138.·
rf:f
t
和f
max
>50ghz，在一些实施方式中f
t
>130ghz，f
max
>180ghz；和
139.·
三阶交调截距(ip3)比其1db压缩功率(p1db)高至少10db，并且在一些实施方式中比其1db压缩功率(p1db)高至少15db。
140.方法和工艺的许多实施方式被配置为与现有的硅基础设施兼容，并与cmos生产线
集成。
141.如前所述，根据实施方式的实现单独定向的单手性半导体单壁碳纳米管阵列的设备本质上减轻了由纳米管直径分布和纳米管束引起的电变化。定向的碳纳米管阵列直接桥接漏极/源极，以消除纳米管之间的交叉和渗透网络的形成。定向的图案不需要蚀刻碳纳米管用于图案化，这可能产生缺陷、掺杂和导致滞后和载流子散射的不期望的材料。此外，根据实施方式的清洁方法有效地去除了用于碳纳米管分散的表面活性剂，以限制滞后。最后，根据实施方式的共轭电解质的界面偶极矩对准的使用可以显著地将接触电阻从每碳纳米管>120千欧降低到每碳纳米管3千欧。
142.这里讨论的实施方式实现这些过程和架构来构造示例性rf设备。已经广泛研究了射频碳纳米管场效应晶体管。早期研究报道，单个碳纳米管fet在短信道(300纳米)下可以实现～20μs的跨导(参见，例如，li，s.等人，《nano letters》，第4卷，第753
‑
756页，2004；yu，z.等，《applied physics letters》，88卷，233115页，2006；和wang，d.等，《ieee transactions on nanotechnology》，第6卷，第400
‑
403页，2007，每篇文献的公开内容通过引用并入本文)。通过化学气相沉积生长在定向碳纳米管上构建的rfcntfet对于非本征截止电流增益频率(f
t
)和非本征最大功率增益频率(f
max
)分别表现出25ghz和9ghz。通过对分离的半导体碳纳米管进行排列，得到了7ghz的f
t
和15ghz的f
max
。报道了rfcntfet的最新进展，其中，具有分离的半导体碳纳米管网络，f
t
为23ghz，f
max
为20ghz，具有定向的聚合物分离的cnt，f
t
和f
max
为70ghz。尽管这些特性很有前途，但由分离的半导体碳纳米管形成的rf cnt fet设备似乎具有很强的迟滞性和显著的接触电阻。在这些rf cnt fet中，一些设备用电介质诸如al2o3、hfo2、y2o3和bcb/hfo2顶栅。一些设备用al2o3和hfo2电介质层背栅。特别是利用这些嵌入的背栅，报道了高达153ghz的本征f
t
和高达30ghz的f
max
，甚至它们的非本征f
t
和f
max
约为7ghz和15ghz。
143.为了实现根据实施方式的这种设备，方法和工艺必须制造亚微米信道长度并遵循精确的栅极对准。根据实施方式的碳纳米管阵列fet的设备结构配置有合适的信道长度和优化的电介质层。制造工艺可用于实现无滞后设备。使用工艺和方法的实施方式可用于形成顶栅或背栅结构，如关于上面图1b所讨论的。
144.在许多实施方式中，实现了顶栅单碳纳米管fet。在一些这样的实施方式中，可以制造t栅极设备，如图9所示。如图所示，为了制造t栅极cntfet，电子纯单手性半导体碳纳米管定向在合适的基板(例如硅、石英等)上如前所述。然后将漏极/源极预焊盘设置在定向的碳纳米管上，以形成合适长度和宽度的信道(例如，长度为1微米，宽度为50微米(图9，步骤1)。在信道内部，电介质材料在电介质沉积之后，使用电子束蚀刻在mma/pmma电阻上被沉积成图案化的形状结构(图9，步骤2)。最后一步是旋涂界面cpe层，并通过剥离沿t栅极介电层和10nm栅极电极形成漏极/源极图案(图9，步骤3)。图10总结了t栅极rf设备的优点。简而言之，使用t栅极rf设备，跨导和f
t
预计将增加两倍以上。这种组合还可以控制cntfet的导通，从而实现材料的固有线性。
145.在其他实施方式中，可以制造底部栅控单碳纳米管fet(或者在基板上或者嵌入在基板内)。如图11所示，在这样的实施方式中，使用光刻图案蚀刻合适的基板(例如，硅晶圆(二氧化硅厚度>1微米))(图11，步骤1)。然后，在金属(钛/钯)沉积之后，通过剥离来图案化底部栅极(图11，步骤2)。然后在显影工艺之后沉积介电层(图11，步骤3)。在沉积的介电层
上，如上所述，电子纯单手性碳纳米管按如上所述定向(图11，步骤4)。最后一步是旋涂以涂覆界面cpe层和组装漏极/源极，从而形成短信道(图11，步骤5)。
146.虽然上面描述了一些特定的方法和过程，但是应该理解，这些方法和过程(例如，材料、方法、温度等)可以根据实施方式通过比较各种设备结构的最大跨导以及电介质材料的选择和沉积来优化。
147.示例性实施方式
148.以下描述了具体的示例性装置以及在这种装置上进行的测试和研究的结果。所公开的实施方式仅用于提供示例和说明，并不意味着限制可能实施方式的范围。
149.实施例1:实施方式的表征研究
150.采用不同介电材料和沉积方法的不同设备结构的性能可以被表征以允许优化。可以使用keithley4200scs进行表征。将对其传输(ids
‑
vgs)和输出(ids
‑
vds)特性进行测量(例如，参见图12a&12b)。结果表明，这些装置是空气稳定的，两年后没有任何退化。
151.根据测量数据，可以估算跨导、迁移率、亚阈值摆幅、ion/ioff比和迟滞。这些结果可以与从单个碳纳米管fet获得的结果进行比较，以检查它们的一致性。并且，处理那些dc表征结果以获得用于后期rf表征的优化偏置点，例如，在跨导对vds和vgs的3d图中跨导最大的点(其中3d图是从不同vgs的ids
‑
vds曲线提取的)。
152.rf表征:为了表征碳纳米管阵列rffet的rf性能，可以使用接地(gsg)探针和n5242apna
‑
x矢量网络分析仪(vna)进行标准分光计测量。测量设置如图13a所示，其中源极接地，dc偏置通过偏置
‑
t提供给栅极和漏极。对于rf测量，栅极和漏极可能偏置在将给出最大gm的值，如从dc表征中的3d跨导图提取的值。在进行rf测量之前，vna探针测量系统可通过短开
‑
负载
‑
通过(solt)方法进行校准。
153.由于要提取两种类型的cntfet性能，即非本征的和本征的，因此可以使用两种校准标准。对于非本征性能，可使用ggbindustriesinc的校准基板作为校准标准；对于本征性能，为了消除栅极和漏极的寄生电容和电感，例如专用于探针的焊盘，可以使用定制的短路(cnt区域填充金属)和开路(空白，没有cnt)结构。
154.校准后，碳纳米管阵列场fet的s参数将在50兆赫至20千兆赫的不同偏置下测量(图13c)。图13b显示了典型的史密斯图表(typical smith chart)。基于s参数，碳纳米管阵列fet的高频率性能，例如电流增益、最大可用增益、小信号输入阻抗和输出阻抗可以很容易地推导出来。
[0155][0156][0157]
或者
[0158][0159]
其中，k是稳定性系数，可以使用以下等式计算:
[0160][0161]
推导出的h
21
和g
max
将作为图13d中频率的函数。从图中，我们可以定义在当前增益h
21
和g
max
下降到0db时的非本征f
t
和f
max
。这些频率分别是电信号在晶体管中传播和获得电功率增益的最高频率。非本征f
t
是假设晶体管输出对地短路时，输出电流与输入电流之比等于1的频率。非本征f
max
是假设输出端接至系统特性阻抗时，输出功率与输入功率之比等于1的频率。非本征f
max
比非本征f
t
更重要，因为在实际应用中，输出端通常与特性阻抗相匹配。为了揭示晶体管本身的电输运特性，可以通过执行排除寄生电容影响的solt去嵌入技术，从导出的h
21
和g
max
(作为频率的函数)中获得晶体管的固有性能(f
t
和f
max
)。
[0162]
本征和非本征f
t
和f
max
预计比当前rf性能(153ghz和30ghz的本征f
t
和f
max
，非本征f
t
和f
max
(23ghz和20ghz)，这是由于电子纯单手性碳纳米管的排列以及通过使用界面共轭聚电解质改进的载流子注入(极低的接触电阻)，导致超高跨导大于20μs每个碳纳米管。
[0163]
实施例2:晶圆级dntrf设备制造
[0164]
各种实施方式涉及制造工艺，以获得能够以晶圆规模制造的坚固且空气稳定的cntrf设备。尽管定向cnt的rf设备的f
t
和f
max
指标大于70ghz，三阶交调截距(ip3)22dbm比其
[0165]
1db压缩功率(p1db)高约7dbm，但其设备的开/关比小于100，并且cntrf设备在一个或两个月后不是空气稳定的并且严重退化。此外，现有技术的定向cnt薄膜受限于它们的定向设备，通常小于1cm
×
1cm的面积大小。当前的实施方式寻求实现具有大于1000的开/关(on/off)比的晶圆级空气稳定cnt设备，以及三年后的一致性能(图14a&14b)。
[0166]
实施此类实施方式的关键挑战包括在小于100纳米的信道中大规模沉积t栅极叠层，所述t栅极叠层包含氧化物沉积和金属化以及蚀刻处理。使用大规模铸造设备,已经生产出晶圆规模、空气稳定、均匀的纯电子单壁碳纳米管(cnt)晶体管。基于这些电子纯cnt薄膜(图15a)，t栅极al/al2o3(图15b)已经生产出cntrf设备。对带参数(50微米总宽度，200纳米长度，
‑
0.5伏栅极偏压，1.0伏漏极偏压，8.4毫安总漏极电流)的t栅极rf设备的1db压缩进行了研究，以显示11.9分贝的参考输出和6分贝的功率增益(图15c)。得到了典型的f
max
为524mhz，rf设备为50微米总宽度，长度为200纳米，表现出p型行为，在栅极源极电压为
‑
0.5伏和漏极源极电压为
‑
1.0伏时偏置，产生8.4ma漏极电流(图15d)。
[0167]
根据实施方式，使用这样的技术，制造了t栅极碳纳米管tf trf设备，并以5ghz f
max
的初步结果进行了表征(例如，参见图16a和16b)。
[0168]
等同原则
[0169]
虽然以上描述包含本发明的许多具体实施方式，但是这些不应被解释为对本发明范围的限制，而是作为其一个实施方式的示例。因此，本发明的范围不应由所示的实施方式来确定，而是由所附权利要求及其等同方式来确定。