【摘 要】
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作为一种重要的半导体电子元器件,二极管在微电子学和光电子学领域有着广泛的应用。传统的硅二极管器件迁移率较低且阈值电压比较高,限制了其在高频领域和需要低导通偏压场合的应用。并且,随着二极管尺寸的缩小,其器件性能和加工水平已接近理论极限。因此,理想材料和优良器件结构的采用被高度渴望用来制作高性能的二极管。在众多纳米材料中,半导体型单壁碳纳米管（SWNT）具有独特的结构和优异的性能,有望被用来制作高性能
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作为一种重要的半导体电子元器件,二极管在微电子学和光电子学领域有着广泛的应用。传统的硅二极管器件迁移率较低且阈值电压比较高,限制了其在高频领域和需要低导通偏压场合的应用。并且,随着二极管尺寸的缩小,其器件性能和加工水平已接近理论极限。因此,理想材料和优良器件结构的采用被高度渴望用来制作高性能的二极管。在众多纳米材料中,半导体型单壁碳纳米管（SWNT）具有独特的结构和优异的性能,有望被用来制作高性能二极管以替代部分硅基二极管或作为其有益补充。相比于传统的硅二极管,SWNT二极管具有更高的器件性能、更低的功耗以及更小的器件尺寸。论文提出基于非对称肖特基结和p-i-n结的两种新型SWNT二极管。在非对称肖特基结SWNT二极管中,高功函数金属Pd和低功函数金属Al作为接触金属被制作于单根SWNT的两端分别形成p型和n型肖特基接触,从而在SWNT内形成强的内建电场。在p-i-n结SWNT二极管中,六氯锑酸三乙基氧鎓（OA）和聚乙烯亚胺（PEI）作为p型和n型掺杂剂分别对SWNT的两侧区域进行p型和n型掺杂,中间区域保持本征状态,这样便在SWNT内部形成p-i-n结。论文对这两种器件的结构设计、关键制作技术、器件特性和工作原理等进行了深入系统的研究。首先,论文创新发展了一种高功函数金属/SWNT/低功函数金属结构的肖特基结二极管。我们使用高功函数金属Pd和低功函数金属Al作为接触金属,研究了它们与SWNT的接触特性,研究显示它们可与SWNT分别形成p型和n型的肖特基接触。利用这种特性,使用Pd和Al分别与SWNT两端接触,制作了Pd/SWNT/Al非对称金属接触的肖特基结二极管。在栅压调控下,器件表现出良好的整流特性,整流比可达103以上。其次,论文提出并研制了一种基于局部选区掺杂的SWNT p-i-n结二极管。通过选用p型掺杂剂六氯锑酸三乙基氧鎓（OA）和n型掺杂剂聚乙烯亚胺（PEI）实现了对SWNT长期稳定的p型和n型掺杂。分别对SWNT薄膜和器件中单根SWNT沟道进行了掺杂研究,表明OA和PEI可有效将SWNT掺杂为p型和n型。利用该特性,我们使用OA和PEI对SWNT沟道两侧进行局部选区的掺杂,而SWNT中间段被PMMA胶保护而保持原有的本征状态,从而成功实现了SWNT分子内的p-i-n结二极管。器件本征区（i区）的存在有利于在整根SWNT中形成强的内建电场,从而改善器件整流特性,使整流比高达1.2×103。为进一步提高二极管的输出电流和稳定性,论文首次研究了基于无序网状SWNT的p-i-n结二极管。利用一种静电自组装技术,实现了单层无序网状SWNT的可控制备。制得的器件可以获得更大的输出电流,最大可达到毫安级。这种无序网状SWNT p-i-n结二极管在正向偏压为1V时输出电流为12.2μA,同时整流比可达～1.3×104。在此基础上,研究了SWNT分子内p-i-n结二极管的光伏特性。1550 nm激光对基于局部选区掺杂的p-i-n结SWNT二极管器件进行光伏性能测试,这种光伏器件表现出高的开路电压（～0.36 V）和功率转换效率（～3.9%）。基于非对称肖特基结和p-i-n结SWNT二极管的研究不仅具有深远的理论意义,也为SWNT的应用提供了一个新的方向。研究显示了其在光伏领域的重大应用潜力,在高频信号处理、高速微电子电路、光电子器件和传感器等领域同样有着广泛的应用前景。
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