CN101814435B - 一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，该方法包括：在P++型硅衬底上生长一层二氧化硅介质，形成场效应晶体管衬底；在该场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶，光刻曝光；蒸发源漏金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的源漏；蒸发背面金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的栅极；将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上；进行退火处理，完成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的制备。本发明具有成效明显，工艺简单易行，经济适用和可靠性强的优点，容易在微波、毫米波化合物半导体器件制作中推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体器件技术领域，特别是指一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法。
背景技术
一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度，长度上为宏观尺度的新型材料，早在1970年法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。在过去十年中，由于在纳电子以及纳米光电子方面具有巨大应用前景，半导体准一维纳米线已经受到了国际上广泛的关注。1991年日本用高分辨率电子显微镜发现了碳纳米管，推动了整个一维纳米材料的研究。近十年来，人们利用各种方法又陆续合成了多种一维纳米材料，如：纳米管、纳米棒、纳米线、半导体量子线、纳米带和纳米线阵列等。其制备的成功不仅为探索小尺度量子效应，以及分子水平纳米光电子器件等基础物理研究提供了可贵的研究对象，也预示着巨大的应用前景和经济利益，必将给传输材料、微电子、医药等领域带来革命性的改变，并会影响到人们的日常生活。
2006年，哈佛大学的向杰等人制备了Ge/Si core-shell纳米线，发现由于能带结构的影响，会在中心的Ge线中产生受限的一维空穴气，从而可以实现很高的迁移率以及高性能的晶体管，证明了纳米线作为高性能电子器件的可行性，推动了国际上纳米电子器件的大力发展。
在各种一维纳米结构中，被称为“第三代半导体材料”的ZnO逐渐得到了人们的重视，ZnO是一种II-VI族直接带隙的新型多功能半导体材料，被称为第三代宽禁带半导体材料。ZnO晶体为纤锌矿结构，禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能约为60meV。ZnO具备半导体、光电、压电、热电、气敏和透明导电等特性，在传感、声、光、电等诸多领域有着广阔的潜在应用价值。与其他半导体材料如SiC、InP等相比，ZnO有许多优异性质，如ZnO本身无毒对人身体无害，在可见光透明并可以吸收紫外线，具有较大的机电耦合系数，对某些气体能在其表面吸附解析等等。根据微观观察结果，纳米线ZnO晶体具有良好的晶形，截面为完整的六角型，在器件制造过程中可以避免所谓的微管缺陷。纯净的纳米线ZnO作为一种直接带隙宽禁带N型半导体，不需要掺杂即可与P型半导体构成P-N-P结构；而且，纳米线ZnO(1～100nm)由于颗粒尺寸细微化，表现出与常规材料不同的奇异特性，如表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应等.这些性质使得ZnO纳米线在很多领域得到广泛的应用，如在激光器、传感器、场效应晶体管、发光二极管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元等都具有重要的应用。近年来，对ZnO材料和器件的研究受到广泛关注。研究范围涵盖了ZnO体单晶、薄膜、量子线、量子点等材料的生长和特性以及ZnO传感器、透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、探测器及发光二极管(Light-emitting Diodes，缩写LED)等器件的制备和研究方面。
在各种由ZnO纳米线构成的一维纳米线器件中，ZnO纳米线场效应晶体管由于其独特的性能，近几年来受到了国际上广泛的关注。ZnO纳米线场效应晶体管(ZnO NW FET)是一种利用ZnO纳米线作为沟道来实现的场效应晶体管，其特征是采用新型MOSFET结构，ZnO纳米线与栅氧和金属形成金属-氧化物-半导体结构。这种结构的场效应晶体管在压电效应，光学效应，电磁，化学传感等方面均有潜在的广泛应用。在这其中，由于ZnO纳米线具有很高的表面积/体积比，制作成功的ZnO纳米线场效应晶体管还可被广泛用于气体探测上，特别是有害气体的探测，如CO、NH3等，通过监测场效应晶体管跨导的变化可以检测出化学气体的组成及浓度，并且，检测完成后可通过控制器件栅压的变化来排出有毒气体元素，具有可恢复化学传感器的功能，发展前景远大。
与目前常规的SnO2传感器相比，ZnO纳米线场效应晶体管用作化学传感器时具有尺寸小，成本低，可恢复性等一系列优点，而且，SnO2传感器的检测原理是通过监测气体在多孔气敏元件上时电阻的变化来实现探测功能，这种类型的传感器最适合检测低浓度有毒气体，在气体浓度较高并不适合；而ZnO纳米线场效应晶体管是采用监测器件电导的变化来监测有毒气体，这使得在高浓度下ZnO纳米线场效应晶体管成为一种极佳的选择，具有成为下一代化学传感器的潜质。有鉴与此，进行ZnO纳米线场效应晶体管的研制工作是非常有必要的。
尽管，ZnO纳米线场效应晶体管在传感器方面具有强大潜力，已经得到了广泛的关注，但仍有很多问题亟待解决。其中最重要的就是关键工艺的突破，众所周知，ZnO纳米线场效应晶体管是一种利用ZnO纳米线作为沟道来实现的场效应晶体管，在纳米级的沟道情况下，其制备工艺与常规的场效应晶体管不同，纳米线从本征衬底到器件衬底上的沉积和定位工作，以及源漏金属与纳米线沟道形成欧姆接触等都是制约ZnO纳米线器件实现传感器应用的方面。并且，纳米线的输运机制未能得到很好的模拟，无法对器件结构进行优化，从而无法对器件工艺进行有效的指导作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种比较简单易行的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，以实现悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的制作，并对器件进行退火，使器件更加稳定，性能大幅度提高。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，该方法包括：
在P++型硅衬底上生长一层二氧化硅介质，形成场效应晶体管衬底；
在该场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶，光刻曝光；
蒸发源漏金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的源漏；
蒸发背面金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的栅极；
将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上；
进行退火处理，完成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的制备。
上述方案中，所述ZnO纳米线采用中科大的ZnO纳米线，长度大于30μm，宽度小于1μm，ZnO纳米线的长宽比大于30∶1。
上述方案中，所述场效应晶体管衬底由P++型硅衬底及其上面生长的一层厚度为
的二氧化硅介质构成。
上述方案中，所述蒸发源漏金属时采用的金属为Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
上述方案中，所述在场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶的步骤中，涂的是负性光刻胶AZ5214，转速4000r/min，胶厚为1.5μm，然后前烘90秒，温度为100℃。
上述方案中，所述光刻曝光的步骤中，是使用源漏版进行光刻，反转80秒，温度为115℃，泛曝60秒，显影55秒；观察线条清晰后RIE打底胶，O2，60sccm，20W，120秒；然后漂酸，所使用的酸为HF，其中HF∶H2O＝1∶10，漂20秒。
上述方案中，所述蒸发源漏金属的步骤中，源漏金属采用Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
上述方案中，所述将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上的步骤，具体包括：将原生长ZnO纳米线的玻璃衬底放在异丙醇中经过超声波降解，降解后ZnO纳米线大部分从原玻璃衬底脱离并分散在异丙醇溶液中；采用滴管将ZnO纳米线滴到所述布满源漏金属的场效应晶体管衬底上，实现将ZnO纳米线沉积在该场效应晶体管衬底上。
上述方案中，所述进行退火处理，是在N2气氛围中，采取的退火温度为600℃，退火时间为1分钟。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、由于采用本发明的制备方法，所以实现了ZnO纳米线从原玻璃衬底到场效应晶体管衬底的沉积和定位，为纳米线器件制备奠定了基础。
2、本发明提出的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，为以后的进一步的纳米线场效应晶体管及化学传感器的制备有指导意义。
3、本发明提出的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，工艺简单易行，节约了成本。
4、本发明结合常规的场效应晶体管制备机制，制定出一套制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，实现了纳米线到衬底的沉积和定位，为下一步的ZnO化学传感器制备奠定基础。
附图说明
图1是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法流程图；
图2是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，所使用的ZnO纳米线图片；
图3是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，制备工艺器件剖面图。
图4是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，退火前的器件实物图形。
图5是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，退火前的测试图。
图6是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，退火后的器件实物图形。
图7是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法中，退火后的测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一般的ZnO纳米线场效应晶体管制备过程中，需要将ZnO纳米线从自身生长衬底上面剥离下来沉积到P++型Si衬底上面，而在器件制备过程中，ZnO纳米线是沉积在衬底表面的，仅靠静电吸附作用，在光刻胶剥离或者清洗过程中，很容易导致纳米线脱落，而且附着有ZnO纳米线的衬底在蒸发金属剥离的过程中也极易导致ZnO纳米线的脱落，从而使整个场效应晶体管制作失败。所以，为了避免纳米线在光刻胶剥离或者清洗过程中脱落，本发明拟采用悬浮ZnO纳米线作为场效应晶体管的沟道解决问题，使ZnO纳米线在衬底上附着之后不再需要光刻和剥离，故不需要再考虑ZnO纳米线的脱落问题，从而大大简化了整个ZnO纳米线场效应晶体管的工艺流程。
本发明的核心思想是：首先在P++型Si衬底上生长SiO2介质，并蒸发背面金属，然后蒸发源漏金属，形成基本的器件结构，通过异丙醇水解超声的办法使ZnO纳米线从自身玻璃衬底上面剥离下来，将纳米线沉积到已经蒸发好源漏金属的衬底上面然后定位，用ZnO纳米线作为场效应晶体管的沟道，悬浮于源漏金属之间，利用源漏金属与ZnO纳米线形成基本的场效应晶体管结构，采用退火使得ZnO纳米线和源漏金属形成良好的欧姆接触，利用P++型Si衬底上的背面金属作为栅极，从而形成性能良好的悬浮ZnO纳米线场效应晶体管。
如图1所示，图1是本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法流程图，该方法包括：
步骤101：在P++型硅衬底上生长一层二氧化硅介质，形成场效应晶体管衬底；所述场效应晶体管衬底由P++型硅衬底及其上面生长的一层厚度为的二氧化硅介质构成。
步骤102：在该场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶，光刻曝光；在本步骤中，涂的是负性光刻胶AZ5214，转速4000r/min，胶厚为1.5μm，然后前烘90秒，温度为100℃；光刻曝光是使用源漏版进行光刻，反转80秒，温度为115℃，泛曝60秒，显影55秒；观察线条清晰后RIE打底胶，O2，60sccm，20W，120秒；然后漂酸，所使用的酸为HF，其中HF∶H2O＝1∶10，漂20秒。
步骤103：蒸发源漏金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的源漏；所述蒸发源漏金属时采用的金属为Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
步骤104：蒸发背面金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的栅极；所述蒸发背面金属采用的金属为Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
步骤105：将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上；所述ZnO纳米线采用中科大的ZnO纳米线，长度大于30μm，宽度小于1μm，ZnO纳米线的长宽比大于30∶1；所述将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上的步骤，具体包括：将原生长ZnO纳米线的玻璃衬底放在异丙醇中经过超声波降解，降解后ZnO纳米线大部分从原玻璃衬底脱离并分散在异丙醇溶液中；采用滴管将ZnO纳米线滴到所述布满源漏金属的场效应晶体管衬底上，实现将ZnO纳米线沉积在该场效应晶体管衬底上。
步骤106：进行退火处理，完成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的制备。所述进行退火处理，是在N2气氛围中，采取的退火温度为600℃，退火时间为1分钟。
下面结合附图来对本发明提供的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法进行进一步的详细说明，具体工艺步骤如下：
步骤1、在P++型Si衬底上生长SiO2介质层。
在本步骤中，所述SiO2介质层的厚度为
步骤2、蒸发源漏金属。
在本步骤中，首先涂胶，涂负性光刻胶AZ5214，转速4000r/min，胶厚为1.5μm，前烘90秒，温度为100℃，然后使用源漏版进行光刻，反转80秒，温度为115℃，泛曝60秒，显影55秒；观察线条清晰后RIE打底胶，O2，60sccm，20W，120秒；然后漂酸，所使用的酸为HF，其中HF∶H2O＝1∶10，漂酸20秒；清洗吹干后马上蒸发源漏金属，源漏金属为Ti/Au，其中Ti厚度为Au厚度为
步骤3、将器件倒置，在P++型衬底上的背面蒸发上背面金属。
在本步骤中，所蒸发的背面金属为Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
步骤4、ZnO纳米线的转移。
在本步骤中，首先把原生长ZnO纳米线与衬底放在异丙醇中经过超声波降解，降解后ZnO纳米线大部分从原玻璃衬底脱离并分散在异丙醇溶液中，采用滴管实现纳米线到已经长好源漏金属的衬底的沉积。完成ZnO纳米线沉积和定位后的器件实物图见图4。
步骤5、使ZnO纳米线连接源漏金属形成沟道，利用在P++型Si衬底作为器件栅极，从而形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管。
步骤6、退火，在N2气氛围中600℃的温度下退火1分钟。使ZnO纳米线与源漏金属形成良好的接触，退火后的器件实物图见图6。
步骤7、测试，较退火前性能有较大幅度提高。见附图7。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，该方法包括：
在P++型硅衬底上生长一层二氧化硅介质，形成场效应晶体管衬底；
在该场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶，光刻曝光；
蒸发源漏金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的源漏；
蒸发背面金属，形成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的栅极；
将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上；
进行退火处理，完成悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的制备；
其中，所述将ZnO纳米线沉积到已经蒸发源漏金属的场效应晶体管衬底上的步骤，具体包括：将原生长ZnO纳米线的玻璃衬底放在异丙醇中经过超声波降解，降解后ZnO纳米线大部分从原玻璃衬底脱离并分散在异丙醇溶液中；采用滴管将ZnO纳米线滴到所述布满源漏金属的场效应晶体管衬底上，实现将ZnO纳米线沉积在该场效应晶体管衬底上。
2.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述ZnO纳米线采用中科大的ZnO纳米线，长度大于30μm，宽度小于1μm，ZnO纳米线的长宽比大于30∶1。
3.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述蒸发背面金属采用的金属为Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
4.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述场效应晶体管衬底由P++型硅衬底及其上面生长的一层厚度为的二氧化硅介质构成。
5.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述在场效应晶体管衬底上涂一层光刻胶的步骤中，涂的是负性光刻胶AZ5214，转速4000r/min，胶厚为1.5μm，然后前烘90秒，温度为100℃。
6.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述光刻曝光的步骤中，是使用源漏版进行光刻，反转80秒，温度为115℃，泛曝60秒，显影55秒；观察线条清晰后RIE打底胶，O2，60sccm，20W，120秒；然后漂酸，所使用的酸为HF，其中HF∶H2O＝1∶10，漂20秒。
7.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述蒸发源漏金属的步骤中，源漏金属采用Ti/Au，其中Ti厚度为
Au厚度为
8.根据权利要求1所述的制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述进行退火处理，是在N2气氛围中，采取的退火温度为600℃，退火时间为1分钟。
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