DE10118405A1

DE10118405A1 - Heterostruktur-Bauelement

Info

Publication number: DE10118405A1
Application number: DE10118405A
Authority: DE
Inventors: Johannes R Luyken; Wolfgang Roesner; Franz Hofmann; Thomas Schulz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-24
Also published as: WO2002084757A1; US20040214786A1; EP1378017A1; JP2004532523A

Abstract

Die Erfindung schafft ein Heterostruktur-Bauelement, das in Form einer einzelnen Hetero-Nanoröhre ausgebildet ist, die entlang ihrer Längsrichtung mehrere Bereiche aufweist, in denen sie jeweils eine unterschiedliche Energiebandlücke hat. Insbesondere kann die Hetero-Nanoröhre in einem Bereich entweder isolierend, halbleitend oder metallisch leitend sein, und sie kann je aus einer Kohlenstoff-Nanoröhre oder einer Bornitrid-Nanoröhre gebildet sein. Die Erfindung schafft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Heterostruktur-Bauelements.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heterostruktur-Bauelement.

Elektronische Bauelemente werden heutzutage hauptsächlich auf der Grundlage von Silizium-MOS-Strukturen (MOS = Metal Oxide Semiconductor = Metall-Oxid-Halbleiter) oder von Halbleiter- Heterostrukturen hergestellt.

Eine typische einfache Silizium-MOS-Struktur ist aus einer Schichtstruktur mit einer Halbleiter-Siliziumschicht, einer auf der Siliziumschicht ausgebildeten Oxid-Schicht (SiO₂) und einer auf der Oxidschicht ausgebildeten Metallschicht aufgebaut. Wird an die Metallschicht ein ausreichend großes positives elektrisches Feld angelegt, so wird durch Feldeffekt in einem an die Oxidschicht angrenzenden Bereich in der Siliziumschicht ein leitfähiger Kanalbereich ausgebildet. Der Wert der Leitfähigkeit des Kanalbereichs ist durch die Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes veränderbar.

Eine typische Halbleiter-Heterostruktur ist aus mindestens zwei schichtartig aufeinander angeordneten unterschiedlichen Verbindungshalbleiter-Materialien aufgebaut, die unterschiedliche Energiebandlücken zwischen Valenzband und Leitungsband haben, aber deren Gitterkonstanten sich nur wenig voneinander unterscheiden. Aufgrund ihrer nur wenig unterschiedlichen Gitterkonstanten können die zwei unterschiedlichen Materialien versetzungsfrei aufeinander aufgewachsen werden, so dass ein heterogener Kristall mit zwei Schichten aus je einem unterschiedlichen Verbindungshalbleiter-Material erzeugt wird, wobei jedoch die Gitterkonstante im gesamten heterogenen Kristall die gleiche ist. Sofern der Unterschied in der Energiebandlücke der beiden unterschiedlichen Verbindungshalbleiter-Materialien geeignet ist, ist an der Grenzfläche zwischen den beiden unterschiedlichen Verbindungshalbleiter-Materialien ein Potentialminimum ausgebildet. In zumindest eines der Verbindungshalbleiter-Materialien sind Dotierstoffe eingebracht. Von den Dotierstoffen werden Ladungsträger bereitgestellt, die im heterogenen Kristall annähernd frei beweglich sind und die sich in dem Potentialminimum ansammeln, so dass an der Grenzfläche eine leitfähige Schicht ausgebildet wird. Insbesondere für optische Anwendungen werden auch Heterostrukturen ohne Dotierstoffe hergestellt.

Ein zur Herstellung einer Heterostruktur geeignetes Paar von Verbindungshalbleiter-Materialien sind beispielsweise die beiden Verbindungshalbleiter-Materialien Gallium-Arsenid (GaAs) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs).

Ein weiteres Paar von Verbindungshalbleiter-Materialien, das zur Herstellung einer Heterostruktur geeignet ist, ist Silizium/SiliziumGermanium (Si/SiGe).

Weitere typische geeignete Materialkombinationen für Halbleiter-Heterostrukturen sind InP/InGaAsP und InP/InGaAlAs.

Aus Schichtstrukturen mit mehreren aufeinander angeordneten Schichten mit je einer unterschiedlichen Energiebandlücke können bei einer geeigneten Wahl der Aufeinanderfolge der unterschiedlichen Schichten unterschiedliche elektronische und optoelektronische Bauelemente, wie zum Beispiel Dioden, Transistoren und Laser, verwirklicht werden.

Mit zunehmender Miniaturisierung stoßen die herkömmlichen Silizium-MOS- und Verbindungshalbleiter-Hererostruktur- Techniken an Ihre Grenzen.

Als halbleitende und metallisch leitende Strukturen mit sehr kleinen Abmessungen sind Kohlenstoff-Nanoröhren bekannt, vgl. z. B. [1]. Kohlenstoff-Nanoröhren sind Fullerene aus Kohlenstoff-Atomen, welche zu einer röhrenförmigen kristallinen Struktur angeordnet sind. Sie können mit einem Durchmesser von 0,2 Nanometern bis zu ca. 50 nm Nanometern und mehr und einer Länge von bis zu mehreren Mikrometern hergestellt werden. Typischerweise beträgt der Durchmesser 2 bis 30 nm und die Länge bis zu einige hundert Nanometer. Die Energiebandlücke für Leitungselektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhre ist über ihre Röhrenparameter, wie zum Beispiel ihren Durchmesser und ihre Chiralität, einstellbar.

Doch nicht nur aus Kohlenstoff, auch aus Bornitrid können Nanoröhren hergestellt werden, die den Kohlenstoff-Nanoröhren ähnlich sind und von denen bekannt ist, dass sie zu Kohlenstoff-Nanoröhren gitterkompatibel sind, d. h. ihnen stehen zur Kristallisation die gleichen Kristallstrukturen zur Verfügung wie sie Kohlenstoff-Nanoröhren zur Verfügung stehen (vgl. [2]). Bornitrid-Nanoröhren haben stets ein isolierendes elektrisches Leitfähigkeitsverhalten, unabhängig von den Röhrenparametern wie Durchmesser oder Chiralität der Bornitrid-Nanoröhre, wobei die elektronische Energiebandlücke 4 eV beträgt (vgl. [3]).

Bekannte Verfahren zum Herstellen von Nanoröhren sind die Gasphasenepitaxie (CVD = Chemical Vapour Deposition), die Bogenentladungstechnik und die Laserablation.

Aus [4] ist ein Verfahren bekannt, mit dem eine Kohlenstoff- Nanoröhre mittels einer chemischen Substitutionsreaktion in eine Bornitrid-Nanoröhre umwandelbar ist. Dabei wird in einem die umzuwandelnde Kohlenstoff-Nanoröhre umgebenden Bereich eine heiße Atmosphäre mit gasförmigem Bor und Stickstoff erzeugt. Wenn die Temperatur der Atmosphäre hoch genug ist, tritt eine chemische Substitutionsreaktion auf, bei der bei der Kohlenstoff-Nanoröhre Kohlenstoff-Atome durch Bor-Atome und Stickstoff-Atome ersetzt werden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein sehr kompaktes und dabei zuverlässiges Heterostruktur-Bauelement zu schaffen.

Das Ziel der Erfindung wird erreicht durch ein Heterostruktur-Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch.

Geschaffen wird ein Heterostruktur-Bauelement mit einer einzelnen Hetero-Nanoröhre, die aufweist: einen ersten Bereich aus einem Nanoröhre-Material mit einem ersten Wert der Energiebandlücke, und einen zweiten Bereich aus einem Nanoröhre-Material mit einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Wert der Energiebandlücke. Dabei ist der zweite Bereich am oberen Ende des ersten Bereichs in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre angeordnet.

Das Heterostruktur-Bauelement ist so in der Form einer einzelnen Hetero-Nanoröhre mit zwei Bereichen (Abschnitten in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre) mit jeweils einer unterschiedlichen Energiebandlücke ausgebildet. "Hetero- Nanoröhre" bedeutet hier, dass die Nanoröhre heterogen ist in dem Sinn, dass sie zumindest zwei Bereiche aufweist, in denen die Nanoröhre je eine unterschiedliche elektronische Energiebandlücke aufweist. Der Begriff "Hetero-Nanoröhre" ist in Analogie zum Begriff der Halbleiter-Heterostruktur aus zwei oder mehr Halbleitern mit unterschiedlichen Energiebandlücken gebildet.

Die Hetero-Nanoröhre kann mehr als zwei Bereiche aufweisen, also zum Beispiel einen weiteren Bereich aus einem Material mit einem weiteren, zumindest vom ersten oder vom zweiten unterschiedlichen Wert der Energiebandlücke. Der weitere Bereich ist am oberen Ende des zweiten Bereichs in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre angeordnet. Die Hetero- Nanoröhre kann in diesem Fall zum Beispiel die allgemeine Struktur "1-2-3" oder die allgemeine Struktur "1-2-1" längs ihrer Längsrichtung haben, wobei 1, 2 und 3 drei unterschiedliche Energiebandlücken symbolisieren.

Der Wert der Energiebandlücke im ersten, zweiten und weiteren Bereich kann insbesondere jeweils einem Leitfähigkeitsverhalten aus der Gruppe, die metallisch leitendes, halbleitendes und isolierendes Leitfähigkeitsverhalten aufweist, entsprechen.

So kann eine Hetero-Nanoröhre mit zwei unterschiedlichen Bereichen zum Beispiel so gestaltet sein, dass die Hetero- Nanoröhre im ersten Bereich isolierend ist und im zweiten Bereich metallisch leitend ist. Oder die Hetero-Nanoröhre kann im ersten Bereich halbleitend und im zweiten Bereich isolierend oder metallisch leitend sein. Oder die Hetero- Nanoröhre kann in beiden Bereichen halbleitend sein, wobei jedoch die Energiebandlücke im ersten Bereich von der Energiebandlücke im zweiten Bereich unterschiedlich ist. Im allgemeinsten Fall ist die Energiebandlücke im ersten Bereich unterschiedlich von der Energiebandlücke im zweiten Bereich, wobei das Leitfähigkeitsverhalten nicht notwendig unterschiedlich zu sein braucht.

Eine rein halbleitende Hetero-Nanoröhre mit drei Bereichen kann zum Beispiel im ersten Bereich halbleitend mit einer ersten Bandlücke, im zweiten Bereich halbleitend mit einer von der ersten unterschiedlichen zweiten Bandlücke und im dritten Bereich halbleitend entweder mit einer von der ersten und der zweiten unterschiedlichen dritten Bandlücke oder mit der ersten Bandlücke sein.

In einem Bereich, in dem die Hetero-Nanoröhre metallisch leitend ist, kann die Hetero-Nanoröhre als metallisch leitende Kohlenstoff-Nanoröhre ausgebildet sein.

In einem Bereich, in dem die Hetero-Nanoröhre halbleitend ist, kann die Hetero-Nanoröhre als halbleitende Kohlenstoff- Nanoröhre ausgebildet sein.

In einem Bereich, in dem die Hetero-Nanoröhre isolierend ist, kann die Hetero-Nanoröhre als Bornitrid-Nanoröhre ausgebildet sein.

Das Heterostruktur-Bauelement ist mit einem Durchmesser von 0,2 nm bis 50 nm, und dabei typischerweise 0,7 nm bis 40 nm und einer Länge von 10 nm bis 10 µm, und dabei typischerweise 20 nm bis 300 nm, äußerst kompakt. Aufgrund der guten Kontrollierbarkeit, mit der Kohlenstoff-Nanoröhren und Bornitrid-Nanoröhren herstellbar sind und mit der die Leitfähigkeitseigenschaften einer Kohlenstoff-Nanoröhre einstellbar sind, ist auch das Heterostruktur-Bauelement mit hoher Kontrollierbarkeit mit gewünschten Eigenschaften herstellbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 5 eine auf einer Katalysatorfläche angeordnete Nanoröhre, gemäß einer Variante der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich korrekt.

Fig. 1 zeigt ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Heterostruktur-Bauelement ist in Form einer einzelnen Hetero-Nanoröhre 110 mit einer Gesamtlänge von 400 nm und einem Durchmesser von 20 nm ausgebildet. Die Hetero-Nanoröhre 110 weist einen ersten Bereich 101 auf, der aus einer metallisch leitenden Nanoröhre gebildet ist, und einen an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich 102, der aus einer elektrisch isolierenden Bornitrid-Nanoröhre gebildet ist. Dabei sind die erste und die zweite Nanoröhre in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre (110) aneinander angeordnet, so dass die jeweilige Längsachse der ersten Nanoröhre, der zweiten Nanoröhre und der insgesamt gebildeten Hetero-Nanoröhre 110 zusammenfallen, d. h. parallel zueinander und auf einer einzigen Geraden verlaufen. Die sich im ersten Bereich 101 erstreckende erste Nanoröhre endet am oberen Ende 103 des ersten Bereichs 101, und die sich im zweiten Bereich 102 erstreckende zweite Nanoröhre fängt am oberen Ende 103 des ersten Bereichs 101 an. Der erste Bereich 101 und der zweite Bereich 102 haben je eine Länge von 200 nm.

Auf einer Skala im Bereich des Abstands benachbarter Atome in der Nanoröhre können die Kohlenstoff-Nanoröhre und die Bornitrid-Nanoröhre am oberen Ende 103 ein wenig ineinandergreifen, wobei das Ineinandergreifen durch die diskrete kristalline Struktur der Nanoröhren verursacht ist.

Vorzugsweise sind die erste Nanoröhre und die zweite Nanoröhre in der gleichen Kristallstruktur ausgebildet. Die erste und die zweite Nanoröhre können die gleiche oder eine unterschiedliche Chiralität haben. Die Chiralität ist nicht völlig frei wählbar, sondern sollte so gewählt sein, dass die jeweilige Nanoröhre die gewünschte Bandlücke bzw. das gewünschte Leitfähigkeitsverhalten hat. Weiter vorzugsweise sind die erste Nanoröhre und die zweite Nanoröhre möglichst versetzungsfrei aneinandergesetzt. Realistischerweise ist es jedoch möglich, dass die Hetero-Nanoröhre in einer ringförmigen Region am oberen Ende 103 und um das obere Ende 103 herum Versetzungen aufweist. Durch solche Versetzungen ist im allgemeinen die Leitfähigkeit der Hetero-Nanoröhre in der ringförmigen Region verändert, i. d. R. verschlechtert.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt), die mit Ausnahme der Abmessungen der Hetero- Nanoröhre der Ausführungsform aus Fig. 1 entspricht, beträgt der Durchmesser der Hetero-Nanoröhre 2 nm, ihre Gesamtlänge 30 nm und die Länge des ersten und des zweiten Hetero- Nanoröhren-Bereichs jeweils 15 nm.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt), die mit Ausnahme der Abmessungen der Hetero- Nanoröhre der Ausführungsform aus Fig. 1 entspricht, beträgt der Durchmesser der Hetero-Nanoröhre 40 nm, ihre Gesamtlänge 500 nm, die Länge des ersten Hetero-Nanoröhren-Bereichs 200 nm und die Länge des zweiten Hetero-Nanoröhren-Bereichs 300 nm.

Fig. 2 zeigt ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Heterostruktur- Bauelement weist eine Hetero-Nanoröhre 210 mit einer Gesamtlänge von 100 nm und einem Durchmesser von 1 nm auf. Die Hetero-Nanoröhre 210 weist einen ersten Bereich 201 auf, der aus einer metallisch leitenden Nanoröhre gebildet ist, und einen an den ersten Bereich 201 angrenzenden zweiten Bereich 202, der aus einer elektrisch isolierenden Bornitrid- Nanoröhre gebildet ist. Der erste Bereich 201 und der zweite Bereich 202 sind entsprechend angeordnet wie der erste Bereich 101 und der zweite Bereich 102 bei der Hetero- Nanoröhre 110 aus Fig. 1. Die Hetero-Nanoröhre 210 weist gegenüber der Hetero-Nanoröhre 110 aus Fig. 1 zusätzlich eine weiteren Bereich 203 auf, der aus einer metallisch leitenden dritten Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist. Die dritte Nanoröhre ist so am oberen Ende der zweiten Nanoröhre angeordnet wie die zweite Nanoröhre am oberen Ende der ersten Nanoröhre angeordnet ist. Das heißt, die jeweilige Längsachse der ersten Nanoröhre, der zweiten Nanoröhre, der dritten Nanoröhre und der insgesamt gebildeten Hetero-Nanoröhre 110 fallen zusammen, d. h. verlaufen auf einer einzigen Geraden. Die sich im ersten Bereich 201 erstreckende erste Nanoröhre endet am oberen Ende 204 des ersten Bereichs 201, und die sich im zweiten Bereich 202 erstreckende zweite Nanoröhre fängt am oberen Ende 204 des ersten Bereichs 201 an. Die sich im zweiten Bereich 202 erstreckende zweite Nanoröhre endet am oberen Ende 205 des zweiten Bereichs 202, und die sich im weiteren Bereich 203 erstreckende dritte Nanoröhre fängt am oberen Ende 205 des zweiten Bereichs 202 an. Die erste Nanoröhre und die zweite Nanoröhre sind also am oberen Ende 103 des ersten Bereichs 101 aneinandergesetzt. Der erste und der dritte Bereich 201, 210 haben je eine Länge in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre 210 von 49 nm. Der zweite Bereich 202 hat eine Länge von 2 nm und stellt einen dünnen Bornitrid-Ring dar, der zwischen zwei metallische Kohlenstoff-Nanoröhren eingebettet ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Heterostruktur-Bauelement hat die funktionelle Form eines einfachen Tunnelübergangs, wobei die isolierende Bornitrid-Nanoröhre im zweiten Bereich 202 als Tunnelbarriere zwischen der leitfähigen ersten Nanoröhre im ersten Bereich 201 und der leitfähigen dritten Nanoröhre 210 im weiteren Bereich dient.

Die obigen Betrachtungen zu einem Ineinandergreifen in Längsrichtung benachbarter Nanoröhren und zu Versetzungen im Übergangsbereich nahe der Grenze zwischen zwei in Längsrichtung benachbarten Nanoröhren gelten ebenso für eine beliebige Hetero-Nanoröhre mit mehr als zwei Bereichen, also zum Beispiel für die Hetero-Nanoröhre 210 aus Fig. 2 und die im folgenden beschriebenen Hetero-Nanoröhren 310, 410 aus Fig. 3 bzw. 4.

Fig. 3 zeigt ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Heterostruktur- Bauelement weist eine Hetero-Nanoröhre 310 mit einer Gesamtlänge von 160 nm und einem Durchmesser von 0,8 nm auf. Die Hetero-Nanoröhre 310 ähnelt im Aufbau der Hetero- Nanoröhre 210 aus Fig. 2, mit dem Hauptunterschied, dass anstelle der isolierenden Bornitrid-Nanoröhre im zweiten Bereich 202 zwei isolierende Bornitrid-Nanoröhren 302, 305 und eine zwischen die beiden Bornitrid-Nanoröhren 302, 305 gebettete halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre 304 vorgesehen sind. Insgesamt weist die Hetero-Nanoröhre 310 also, in Fig. 3 von links nach rechts gesehen, auf: einen ersten Bereich 301 mit einer Länge von 70 nm, der aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist; einen zweiten Bereich 302 mit einer Länge von 2 nm, der aus einer isolierenden Bornitrid-Nanoröhre gebildet ist; einen dritten Bereich 303 mit einer Länge von 3 nm, der aus einer halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist; einen vierten Bereich 304 mit einer Länge von 2 nm, der aus einer isolierenden Bornitrid-Nanoröhre gebildet ist; und einen fünften Bereich 305 mit einer Länge von 83 nm, der aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Heterostruktur-Bauelement hat die funktionelle Form einer resonanten Tunneldiode mit einer durch die Bereiche 302-303-304 gebildeten Isolator- Halbleiter-Isolator-Schichtabfolge, die zwischen eine im ersten Bereich 301 ausgebildete (in der Darstellung der Figur) "linke" leitfähige Schicht und eine im fünften Bereich 305 ausgebildete "rechte" leitfähige Schicht eingebettet ist.

Die resonante Tunneldiode kann zum Beispiel in der Hochfrequenzelektronik eingesetzt werden oder als Baustein für eine zur Feldeffekttransistor-Logik, bei der Feldeffekttransistoren zur Verwirklichung logischer Schaltungen verwendet werden, alternative Logik.

Fig. 4 zeigt ein Heterostruktur-Bauelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Das Heterostruktur- Bauelement weist eine Hetero-Nanoröhre 410 mit einer Gesamtlänge von 210 nm und einem Durchmesser von 2,2 nm auf. Die Hetero-Nanoröhre 410 ähnelt im Aufbau der Hetero- Nanoröhre 310 aus Fig. 3, mit dem Hauptunterschied, dass anstelle der halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhre im dritten Bereich 303 eine metallisch leitende Kohlenstoff-Nanoröhre im dritten Bereich 403 vorgesehen ist. Insgesamt weist die Hetero-Nanoröhre 410 also, in Fig. 4 von links nach rechts gesehen, auf: einen ersten Bereich 401 mit einer Länge von 113 nm, der aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff- Nanoröhre gebildet ist; einen zweiten Bereich 402 mit einer Länge von 1,5 nm, der aus einer isolierenden Bornitrid- Nanoröhre gebildet ist; einen dritten Bereich 403 mit einer Länge von 4 nm, der aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist; einen vierten Bereich 404 mit einer Länge von 1,5 nm, der aus einer isolierenden Bornitrid-Nanoröhre gebildet ist; und einen fünften Bereich 405 mit einer Länge von 90 nm, der aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet ist.

Das in Fig. 4 dargestellte Heterostruktur-Bauelement hat die funktionelle Form einer Einzelelektronen-Tunneldiode mit einer durch die Bereiche 402-403-404 gebildeten Isolator- Leiter-Isolator-Schichtabfolge, die zwischen eine im ersten Bereich 401 ausgebildete "linke" leitfähige Schicht und eine im fünften Bereich 405 ausgebildete "rechte" leitfähige Schicht eingebettet ist. Im dritten Bereich 403 sind Elektronen mittels Coulomb-Blockade speicherbar, wobei die Bornitrid-Nanoröhre im zweiten Bereich 402 und die Bornitrid- Nanoröhre im vierten Bereich 404 jeweils als Tunnelbarriere dient.

Die Einzelelektronen-Tunneldiode aus Fig. 4 kann in Kombination mit einer zusätzlichen Gate-Elektrode 420 als Einzelelektronen-Transistor verwendet werden. Die zusätzliche Gate-Elektrode 420 erstreckt sich neben der Hetero-Nanoröhre 410 und ist so angebracht, dass an den vierten Bereich 403 ein elektrisches Feld anlegbar ist, so dass die Energieniveaus für Elektronen im dritten Bereich 403 mittels dieser Gate-Elektrode 420 durchstimmbar sind, so dass in Abhängigkeit von der zwischen der Gate-Elektrode 420 und dem dritten Bereich 403 angelegten Spannung die Coulomb-Blockade herstellbar oder aufhebbar ist. Zwischen der Gate-Elektrode 420 und der Hetero-Nanoröhre 410 ist eine Isolatorschicht 421 aus einem isolierenden Material, z. B. einem Oxid oder einem Nitrid, vorgesehen.

An jedem der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Heterostruktur-Bauelemente können weitere Elemente vorgesehen sein. Beispielsweise können leitfähige Elemente vorgesehen sein, mit denen die Hetero-Nanoröhre (110, 103) an eine Ansteuerelektronik elektrisch anschließbar ist. Diese leitfähigen Elemente können beispielsweise aus metallisch leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhren, aus Metall, aus dotiertem Polysilizium oder einem sonstigen geeigneten leitfähigen Material gebildet sein. Beispielsweise kann eine Ende der Nanoröhre mit Metall bedampft oder besputtert sein. Alternativ können auch beide Enden der Nanoröhre mit Metall bedampft oder besputtert sein. An das leitfähige Element kann eine elektrische Zuleitung elektrisch gekoppelt sein, die außerdem mit der Ansteuerelektronik elektrisch gekoppelt ist, so dass die Hetero-Nanoröhre und die Ansteuerelektronik elektrisch gekoppelt sind. Als elektrische Zuleitung kann zum Beispiel ein aufgedampfter Metallstreifen oder eine weitere Nanoröhre dienen.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßes Verfahrens zum Herstellen eines aus einer Hetero-Nanoröhre 110, 210, 310, 410 gebildeten Heterostruktur-Bauelements erläutert.

Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird zuerst in einem ersten Bereich 101, 201, 202 eine erste Nanoröhre hergestellt und anschließend in einem zweiten Bereich 102, 202, 203, und dabei ansetzend am oberen Ende 103, 204, 205 der ersten Nanoröhre in Längsrichtung der ersten Nanoröhre, eine zweite Nanoröhre hergestellt, so dass aus der ersten Nanoröhre und der zweiten Nanoröhre insgesamt eine einzige Hetero-Nanoröhre 110, 210, 310, 410 gebildet wird.

Die Nanoröhren können dabei beispielsweise mittels Gasphasenepitaxie hergestellt werden. In diesem Fall wird zuerst in einem ersten Gasphasenepitaxie-Schritt auf einer Unterlage die erste Nanoröhre erzeugt. Dann wird ein zweiter Gasphasenepitaxie-Schritt durchgeführt, in dem auf dem oberen Ende der ersten Nanoröhre die zweite Nanoröhre erzeugt wird. Die Prozessbedingungen wie Prozesstemperatur, Prozessdruck und Prozessdauer sind im zweiten Gasphasenepitaxie-Schritt so gewählt, dass im zweiten Gasphasenepitaxie-Schritt durch selektive Epitaxie nur auf der ersten Nanoröhre die zweite Nanoröhre erzeugt wird, dass aber auf der Unterlage keine weiteren Nanoröhren entstehen. Alternativ können die Nanoröhren mittels einer Bogenentladungstechnik oder mittels Laserablation hergestellt werden.

Nach dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform können auch Hetero-Nanoröhren mit mehr als zwei Bereichen mit unterschiedlichen Nanoröhren hergestellt werden, wie zum Beispiel die Hetero-Nanoröhren 210, 310, 410 aus Fig. 2, 3 bzw. 4.

Bei einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines aus einer Hetero-Nanoröhre 110, 210, 310, 410 gebildeten Heterostruktur-Bauelements wird zuerst eine erste Nanoröhre hergestellt, anschließend wird eine zweite Nanoröhre hergestellt, und anschließend wird die zweite Nanoröhre, ansetzend am oberen Ende 103, 204, 205 der ersten Nanoröhre in Längsrichtung der ersten Nanoröhre, an die erste Nanoröhre angestückt, so dass aus der ersten Nanoröhre und der zweiten Nanoröhre eine einzige Hetero-Nanoröhre 110, 210 gebildet wird, die in einem ersten Bereich 101, 201, 202 aus der ersten Nanoröhre besteht und in einem zweiten Bereich 102, 202, 203 aus der zweiten Nanoröhre besteht.

Bei dieser zweiten Ausführungsform des Verfahrens werden also zuerst einzelne, nicht miteinander verbundene Nanoröhren hergestellt, die anschließend zusammengesetzt werden. Zum Anstücken der zweiten Nanoröhre an die erste Nanoröhre kann zum Beispiel ein geeigneter Nano-Manipulator, also zum Beispiel eine Nano-Pinzette oder eine Nano-Saug-Pipette oder ein elektrostatisch funktionierendes Nano-Haltewerkzeug zum elektrostatischen Festhalten von Nano-Partikeln oder ein ähnliches Werkzeug, verwendet werden.

Optional können jeweils zwei Nanoröhren, nachdem sie zusammengesetzt worden sind, an ihrer Berührungsstelle, an der sie sich gegenseitig berühren, miteinander verschweißt werden, so dass eine zuverlässige Verbindung zwischen den beiden zusammengesetzten Nanoröhren erzeugt wird und eine stabile einzige Hetero-Nanoröhre ausgebildet wird. Das Verschweißen kann zum Beispiel mittels eines lokalen elektrischen Feldes durchgeführt werden, das in einem vorbestimmten Bereich an der Berührungsstelle an die beiden Nanoröhren angelegt wird. Zur Erzeugung des lokalen elektrischen Feldes kann eine Maske verwendet werden, durch die ein elektrisches Feld geformt wird, das nur in dem vorbestimmten Bereich wesentlich von Null unterschiedlich ist. Alternativ kann als lokales elektrisches Feld das elektrische Feld unter einer feinen leitfähigen Spitze, zum Beispiel unter der Spitze eines Rastersondenmikroskops, verwendet werden.

Das Verschweißen kann zum Beispiel dadurch durchgeführt werden, dass das lokale elektrische Feld als kurzer Impuls angelegt wird. Alternativ wird während einer längeren Zeitdauer ein konstantes elektrisches Feld angelegt.

Auch bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens kann zum Herstellen der ersten Nanoröhre und/oder der zweiten Nanoröhre und/oder weiterer Nanoröhren Gasphasenepitaxie, eine Bogenentladungstechnik oder eine Laserablation angewandt werden.

Bei einer dritten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines aus einer Hetero-Nanoröhre 110, 210, 310, 410 gebildeten Heterostruktur-Bauelements wird zuerst eine Kohlenstoff-Nanoröhre hergestellt. Anschließend wird die Kohlenstoff-Nanoröhre in zumindest einem zweiten Teilabschnitt in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt. Für die Hetero-Nanoröhre 210 aus Fig. 2 beispielsweise wird zuerst mittels einer herkömmlichen Technik eine Kohlenstoff- Nanoröhre hergestellt. Anschließend wird die Kohlenstoff- Nanoröhre im zweiten Bereich 202 in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt. Im ersten Bereich 201 und im dritten Bereich 203 bleibt die Nanoröhre eine Kohlenstoff-Nanoröhre. Dadurch ist die in Fig. 2 dargestellte Hetero-Nanoröhre 210 geschaffen worden.

Die Kohlenstoff-Nanoröhre kann dadurch in eine Bornitrid- Nanoröhre umgewandelt werden, dass eine chemische Substitutionsreaktion durchgeführt wird.

Die chemische Substitutionsreaktion kann dadurch bewirkt werden, dass die umzuwandelnde Kohlenstoff-Nanoröhre einer ausreichend heißen Atmosphäre mit Bor-Atomen und Stickstoff- Atomen ausgesetzt wird, bis die chemische Substitutionsreaktion eintritt. Die Atmosphäre kann zum Beispiel in einer abgeschlossenen abschließbaren Kammer eines Ofens erzeugt werden, die geeignet beheizt ist.

Damit die Kohlenstoff-Nanoröhre nur in einem vorbestimmten Teilabschnitt der, beispielsweise im ersten Teilabschnitt, in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird, kann bei der Durchführung der chemischen Substitutionsreaktion der erste Teilabschnitt so maskiert sein, dass er gegenüber der chemischen Substitutionsreaktion abgeschirmt ist, so dass die chemische Substitutionsreaktion nur im zweiten Teilabschnitt erfolgt.

Zur Durchführung der chemischen Substitutionsreaktion wird in diesem Fall ein Verfahren angewandt, das auf dem in der Beschreibungseinleitung genannten aus [4] bekannten Verfahrens zur Umwandlung einer Kohlenstoff-Nanoröhre in eine Bornitrid-Nanoröhre basiert. Das Verfahren ist gegenüber dem Verfahren aus [4] dahingehend weiterentwickelt, dass bei seiner Durchführung eine geeignete Maske verwendet wird, so dass nur ein Teilbereich oder nur einzelne Teilbereiche der Kohlenstoff-Nanoröhre der Atmosphäre mit Bor-Atomen und Stickstoff-Atomen ausgesetzt werden, so dass die Kohlenstoff- Nanoröhre nur in diesen Teilbereichen in eine Bornitrid- Nanoröhre umgewandelt wird. Zur Herstellung der Hetero- Nanoröhre 210 aus Fig. 2 beispielsweise wird zuerst eine Kohlenstoff-Nanoröhre hergestellt. Der erste Bereich 201 und der dritte Bereich 203 der Kohlenstoff-Nanoröhre werden abgedeckt. Der zweite Bereich 202 hingegen bleibt unabgedeckt. Nun wird die heiße Atmosphäre mit Bor-Atomen und Stickstoff-Atomen erzeugt. Hierbei wird die Kohlenstoff- Nanoröhre nur im unabgedeckten zweiten Bereich 202 in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt. Dadurch entsteht die in Fig. 2 dargestellte Hetero-Nanoröhre 210.

Durch kompliziertere Masken können entsprechend kompliziertere Hetero-Nanoröhren hergestellt werden.

Statt durch alleiniges Heizen in einem Ofen kann die chemische Substitutionsreaktion dadurch durchgeführt werden, dass die umzuwandelnde Kohlenstoff-Nanoröhre einer, soweit erforderlich angemessen erhitzten, Atmosphäre mit Bor-Atomen und Stickstoff-Atomen ausgesetzt wird und ein derartiges geeignetes elektrisches Feld an die Kohlenstoff-Nanoröhre angelegt wird, dass die chemische Substitutionsreaktion, typischerweise durch Katalyse mittels des elektrischen Feldes, bewirkt wird, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhre in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird.

Die chemische Substitutionsreaktion findet dabei ausschließlich in Bereichen der Kohlenstoff-Nanoröhre statt, in denen das elektrische Feld eine ausreichende Feldstärke hat, dass die chemische Substitutionsreaktion bewirkt wird.

Das elektrische Feld wird dabei so an die Kohlenstoff- Nanoröhre angelegt, dass seine elektrische Feldstärke nur im umzuwandelnden Bereich, bei dem Beispiel aus Fig. 2 also im zweiten Bereich, stark genug ist, dass die Umwandlung bewirkt wird und die Kohlenstoff-Nanoröhre also nur im gewünschten umzuwandelnden Bereich in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird.

Als elektrisches Feld kann ein beliebiges elektrisches Feld verwendet werden. Damit nur der gewünschte Bereich (bzw. die gewünschten Bereiche) umgewandelt wird, wird das elektrische Feld außerhalb des gewünschten Bereichs abgeschirmt, beispielsweise mittels einer geeignet strukturierten, z. B. perforierten, metallischen Folie.

Alternativ wird als elektrisches Feld das elektrische Feld einer Vorrichtung verwendet, die ohne weitere Vorkehrungen ein räumlich begrenztes elektrisches Feld erzeugt. Zum Beispiel kann das überhöhte elektrische Feld unter einer feinen Spitze verwendet werden. Vorzugsweise wird das elektrische Feld unter der Spitze eines Rasterkraftmikroskops verwendet. Unter der Spitze eines Rasterkraftmikroskops ist ein elektrisches Feld erzeugbar, dessen Feldstärke nur im Bereich unmittelbar um die Spitze herum groß ist und abseits dieses Bereichs verschwindend klein ist. Dadurch ist es mittels der Spitze möglich, einen der Spitze gegenüber liegenden lokal begrenzten sehr kleinen Bereich einem hohen elektrischen Feld auszusetzen. Wird also die Spitze an die längliche Seitenwand einer Kohlenstoff-Nanoröhre in einem geeigneten Abstand von der Kohlenstoff-Nanoröhre positioniert und ein geeignetes elektrisches Feld zwischen der Spitze und der Nanoröhre angelegt, so wird die Kohlenstoff-Nanoröhre nur in dem Bereich, der der Spitze gegenüber liegt, in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt.

Die Verfahren gemäß den unterschiedlichen Ausführungsformen können auch kombiniert werden. In diesem Fall gibt es Bereiche der Hetero-Nanoröhre, bei deren Herstellung von vornherein unterschiedliche Nanoröhren, d. h. zumindest eine Kohlenstoff-Nanoröhre und zumindest eine Bornitrid-Nanoröhre, hergestellt werden. Außerdem gibt es Bereiche der Hetero- Nanoröhre, bei deren Herstellung eine Umwandlung von einer Kohlenstoff-Nanoröhre in eine Bornitrid-Nanoröhre durchgeführt wird.

Gemäß einer Variante kann bei den oben beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Herstellen eines Heterostruktur-Bauelements beim Herstellen jeder beliebigen Nanoröhre 501 eine an einem vorbestimmten Ort vorgesehene Katalysatorfläche 502 aus einem Katalysatormaterial verwendet werden, durch welche Katalysatorfläche 502 bewirkt wird, dass die Nanoröhre 501 an dem vorbestimmten Ort hergestellt wird. Fig. 5 zeigt eine auf einer Katalysatorfläche angeordnete Nanoröhre, gemäß dieser Variante der Erfindung. Die Katalysatorfläche 502 ermöglicht es, die Nanoröhre 501 gezielt an dem vorbestimmten Ort herzustellen.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] C. Dekker, "Carbon Nanotubes as molecular wires", Physics Today, 22 May, pp. 22 ff (1999).
[2] A. Loiseau et al. "Boron Nitride Nanotubes", Carbon Vol. 36, pp. 743-752, 1998, z. B. S. 744, rechte Spalte, zweiter Abschnitt, Zeilen 3-6).
[3] Blase et al., "Stability and Band Gap Constancy of Boron Nitride Nanotubes", Europhys. Lett. 28 (5), pp. 335-340 (1994)).
[4] W. Han et al., Appl. Phys. Lett. 73, 3085 (1998).

Bezugszeichenliste

Fig.

1

101

erster Nanoröhren-Bereich

102

zweiter Nanoröhren-Bereich

103

oberes Ende (der ersten Nanoröhre)

110

Hetero-Nanoröhre

Fig.

2

201

erste Nanoröhre

202

zweite Nanoröhre

203

weitere Nanoröhre

204

oberes Ende (der ersten Nanoröhre)

205

oberes Ende (der zweiten Nanoröhre)

210

Hetero-Nanoröhre

Fig.

3

301

erster Bereich

302

zweiter Bereich

303

dritter Bereich

304

vierter Bereich

305

fünfter Bereich

310

Hetero-Nanoröhre

Fig.

4

401

erster Bereich

402

zweiter Bereich

403

dritter Bereich

404

vierter Bereich

405

fünfter Bereich

410

Hetero-Nanoröhre

420

Gate-Elektrode

421

Isolatorschicht

Fig.

5

501

Nanoröhre

502

Katalysatorfläche

Claims

1. Heterostruktur-Bauelement,
mit einer einzelnen Hetero-Nanoröhre (110), die aufweist:
einen ersten Bereich (101) aus einem Nanoröhre- Material mit einem ersten Wert der Energiebandlücke, und
einen zweiten Bereich (102) aus einem Nanoröhre- Material mit einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Wert der Energiebandlücke,
wobei der zweite Bereich (102) am oberen Ende (103) des ersten Bereichs (101) in Längsrichtung der Hetero-Nanoröhre (110) angeordnet ist.

2. Heterostruktur-Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die Hetero-Nanoröhre (210) zumindest einen weiteren Bereich (203) aus einem Material mit einer weiteren, zumindest vom ersten oder vom zweiten unterschiedlichen Wert der Energiebandlücke aufweist,
wobei der weitere Bereich (203) am oberen Ende (205) des zweiten Bereichs (202) in Längsrichtung der Hetero- Nanoröhre (210) angeordnet ist.

3. Heterostruktur-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wert der Energiebandlücke im ersten, zweiten und weiteren Bereich jeweils einem Leitfähigkeitsverhalten aus der Gruppe, die metallisch leitendes, halbleitendes und isolierendes Leitfähigkeitsverhalten aufweist, entspricht.

4. Heterostruktur-Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Hetero-Nanoröhre (110, 210) in zumindest einem Bereich, in dem sie metallisch leitend ist, als metallisch leitende Kohlenstoff-Nanoröhre ausgebildet ist.

5. Heterostruktur-Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Hetero-Nanoröhre (110, 210) in zumindest einem Bereich, in dem sie halbleitend ist, als halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre ausgebildet ist.

6. Heterostruktur-Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Hetero-Nanoröhre (110, 210) in zumindest einem Bereich, in dem sie isolierend ist, als isolierende Kohlenstoff-Nanoröhre ausgebildet ist.

7. Heterostruktur-Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Hetero-Nanoröhre (110, 210) in zumindest einem Bereich, in dem sie isolierend ist, als Bornitrid- Nanoröhre ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines aus einer Hetero- Nanoröhre (110, 210) gebildeten Heterostruktur-Bauelements, bei welchem Verfahren
zuerst in einem ersten Bereich (101, 201, 202) eine erste Nanoröhre hergestellt wird und
anschließend in einem zweiten Bereich (102, 202, 203), und dabei ansetzend am oberen Ende (103, 204, 205) der ersten Nanoröhre in Längsrichtung der ersten Nanoröhre, eine zweite Nanoröhre hergestellt wird, so dass aus der ersten Nanoröhre und der zweiten Nanoröhre insgesamt eine einzige Hetero- Nanoröhre (110, 210) gebildet wird.

9. Verfahren zum Herstellen eines aus einer Hetero- Nanoröhre (110, 210) gebildeten Heterostruktur-Bauelements, bei welchem Verfahren
zuerst eine erste Nanoröhre hergestellt wird,
anschließend eine zweite Nanoröhre hergestellt wird und
anschließend die zweite Nanoröhre, ansetzend am oberen Ende (103, 204, 205) der ersten Nanoröhre in Längsrichtung der ersten Nanoröhre, an die erste Nanoröhre angestückt wird, so dass aus der ersten Nanoröhre und der zweiten Nanoröhre eine einzige Hetero-Nanoröhre (110, 210) gebildet wird, die in einem ersten Bereich (101, 201, 202) aus der ersten Nanoröhre besteht und in einem zweiten Bereich (102, 202, 203) aus der zweiten Nanoröhre besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zum Herstellen der ersten Nanoröhre und/oder der zweiten Nanoröhre ein Verfahren aus der Gruppe von Verfahren, die Gasphasenepitaxie, Bogenentladungstechnik und Laserablation aufweist, angewandt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem beim Herstellen zumindest einer Nanoröhre (501) von den Nanoröhren eine an einem vorbestimmten Ort vorgesehene Katalysatorfläche (502) aus einem Katalysatormaterial verwendet wird, durch welche Katalysatorfläche (502) bewirkt wird, dass die Nanoröhre (501) an dem vorbestimmten Ort hergestellt wird.

12. Verfahren zum Herstellen eines aus einer Hetero- Nanoröhre (110, 210) gebildeten Heterostruktur-Bauelements, bei welchem Verfahren
zuerst eine Kohlenstoff-Nanoröhre hergestellt wird und
anschließend die Kohlenstoff-Nanoröhre in zumindest einem zweiten Teilabschnitt in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhre dadurch in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird, dass eine chemische Substitutionsreaktion durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem bei der Durchführung der chemischen Substitutionsreaktion der erste Teilabschnitt so maskiert ist, dass er gegenüber der chemischen Substitutionsreaktion abgeschirmt ist, so dass die chemische Substitutionsreaktion nur im zweiten Teilabschnitt erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem ein derartiges geeignetes elektrisches Feld an die Kohlenstoff-Nanoröhre angelegt wird, dass die chemische Substitutionsreaktion bewirkt wird, so dass die Kohlenstoff- Nanoröhre in eine Bornitrid-Nanoröhre umgewandelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem als elektrisches Feld das elektrische Feld unter der Spitze eines Rasterkraftmikroskops verwendet wird.

17. Heterostruktur-Bauelement nach Anspruch 2, bei dem
der erste Bereich aus einer ersten metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre (201) gebildet ist,
der zweite Bereich aus einer isolierenden Bornitrid- Nanoröhre (202) gebildet ist und
der weitere Bereich aus einer metallisch leitenden Kohlenstoff-Nanoröhre (210) gebildet ist,
wobei der zweite Bereich als Tunnelübergang zwischen dem ersten und dem dritten Bereich ausgebildet ist.