基于碳纳米管的逻辑电路.doc

基于碳纳米管的逻辑电路 微电子学的进一步微型化的可预见的限制因素，引导了向分子电子学发展的空前的研究。单壁碳纳米管的使用激发研究人员更加致力于研究此领域，因为这些分子为纳米电子学展现了许多适宜的特性。单纳米管的基本组成部分最近已经被论证，例如分子导线，二极管，场效应晶体管和单电子晶体管。分子电子学发展的下一个挑战是超越单分子的组成，将这些元件集成到一个芯片上来演算数字逻辑功能。这里我们报告了组成单纳米管场效应晶体管的逻辑电路。除了实现逻辑电路之外，新的元件配置允许大量的栅电压静电掺杂，让我们可以研究一维纳米管的非常规电荷屏蔽。 此纳米晶体管有一个因只有几纳米厚度的栅极氧化层而绝缘于纳米管的局部栅极。在之前的电路中，栅极由氧化的硅晶片，原子显微镜的顶端，第二个纳米管，离子溶液，或者铝薄膜封盖组成。这些器件结构不允许大量的连接的器件的集成。例如，最流行的纳米晶体管结构使用背栅，其在所有的晶体管上施加相同的栅电压。相比之下，我们的栅极由微加工的覆有天然Al2O3层的铝线构成，其放置于和两片金电极电接触的半导体晶体管下面（图表1，A和B）。在这些结构中，Al2O3的几纳米的厚度小于接触电极之间的间隔（约100nm），使栅极和纳米管之间产生良好的电容耦合。另外，不同的局部铝栅极能容易地被模式化，这样每一个都能定位于不同的晶体管。所以这样的布局允许大量的场效应晶体管在芯片上集成。 这里的晶体管电路的实现分为三个步骤。首先，铝栅极通过在硅氧化层上用电子束光刻进行模式化。绝缘层由曝露于空气而生长的天然氧化层组成。氧化层的精确厚度难以确定，约为几纳米。第二，激光剥蚀制备出的单壁碳纳米管分散在二氯乙烷悬浮液中的晶片。利用原子能显微镜挑选出半径约为1nm和位于铝栅极线顶端的纳米管。他们的坐标是相对于准线标记来记录。最后，直接在无附着层纳米管上利用金元素蒸发，电子束光刻出接触电极和连接线路。 通过这个布局可以得到强掺杂的纳米管沟道。从负栅电压Vg开始，电流I开始减小，然后变得无限小，最后又开始增大。这表明Vg将费米能级成功得从价带转移到间隙，最后到半导体纳米管的导带。所以附近的Al栅极便能使纳米管的掺杂从p型掺杂和n型掺杂之间变化。 我们的纳米晶体管可以被归类为增强型场效应晶体管，因为当施加一个负栅电压时，纳米场效应管产生强的电流调制。电流与偏压Vsd的特性是场效应管的典型。从图2和3的数据中，我们可以提取出纳米晶体管的互导是0.3μS和至少105的较低占空比限制。纳米晶体管工作时的最大电流约为100nA，Vsd=—1.3V和Vg=—1.3V时的导通电阻是26兆欧姆。 对于任何逻辑运算电路的进一步发展而言，较大偏压下的增益是重要的必备条件，因为一个逻辑结构的输出必须能驱动下一个逻辑结构的输入。输出必须提供大约1v的电压摆幅。图3表明在晶体管中，当输入电压改变0.1V时输出电压改变超过1V。这说明大信号增益大于10。由于栅极很靠近纳米管，可以获得大的增益和大的电压摆幅。与厚栅极氧化层和过去的纳米场效应管使用的平面栅极相比，现今的科技能让我们获得更大的增益。 我们的报告的主要观点是小型电路与纳米晶体管相结合，能用于各种逻辑器件。这里我们将描述一个逆变器的实例，一个或非门（反向逻辑或门），一个静止只读内存（SRAM）单元，一个环形振荡器。所有的这些逻辑元件是通过电阻晶体管逻辑电路 图1：元件布置（A）单碳纳米管的高度图，需要原子能显微镜。（B）元件剖视图。两个铜极接触的半导体碳纳米管。一条由几纳米氧化层覆盖的Al线作为栅极。（C）高度模式的铜互联线接触的双纳米管的原子能显微图。箭头标明了晶体管的位置。也可以看到四条准线。 图2：强掺杂和弱屏蔽的碳纳米管。（A）电流是室温下单纳米管的栅电压函数（B）每个C原子的电荷作为栅电压的纳米管电极表面的距离函数 图3：纳米管的元件参数 逆变器是基本的逻辑器件，它将逻辑0转变成逻辑1，将逻辑1转变成逻辑0。逆变器由纳米管和片外100兆欧姆偏压电阻构成（图4A）。当输入电压Vin=—1.5V（逻辑1）时，晶体管的电阻远小于偏压电阻，使输出电压为0V（逻辑0）。当是Vin为0V（逻辑0）时，纳米管不导电，而且输出是—1.5V（逻辑1）。由于栅电压的清除，逆变器的电压应使逻辑电平快速地转变。在图4A的元件中，在转变区域的输出电压的转变速度是输入电压的3倍，说明电压增益为3（其他逆变器元件的最高增益为6）。 通过将一个单晶体管替换为两个并联的晶体管，可以构造出或非门（图4B）。相同芯片上的两个晶体管的布局表示在图1C中。当两个或两个中的一个的输入是逻辑1（Vin=—1.5V），至少一个纳米管是导通的，并且输出电压为0V（逻辑0）。只有当两个输入都是逻辑0时，输出才是逻辑1，这时两个纳米管都不导通。在图4B中，输出电压被绘