CN101847581A - 顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，包括：在衬底表面生长SiO2介质；在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极；超声降解ZnO纳米线材料；将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列；在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极；在ZnO纳米线之上生长栅氧介质层；在栅氧介质层之上制作顶栅电极。本发明利用ZnO纳米线材料，经过上述工艺流程，达到了制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管器件的目的。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料、器件技术领域，尤其涉及一种顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作方法。
背景技术
ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的新型多功能化合物半导体材料，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。
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。目前，已形成多种方法用于ZnO材料的生长，并且研制出若干种类的ZnO器件及传感器，但是P型ZnO材料的生长，ZnO纳米器件的制备及应用等问题依然需要深入和系统的研究。
ZnO是目前拥有纳米结构和特性最为丰富的材料，已实现的纳米结构包括纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳、纳米管等。其中，一维纳米线由于材料的细微化，比表面积增加，具有常规体材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，晶体质量更好，载流子的运输性能更为优越。一维纳米线不仅可以实现基本的纳米尺度元器件(如激光器、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)，而且还能用来连接各种纳米器件，可望在单一纳米线上实现具有复杂功能的电子、光子及自旋信息处理器件。
ZnO纳米线场效应晶体管(Nanowire Field-Effect Transistor，NW FET)已成为国际研究的热点之一。ZnO一维纳米线作为沟道，与栅氧和栅金属可以形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。由于ZnO纳米线的电学性能随周围气氛中组成气体的改变而变化，比如未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有优越的敏感性，因此能够对相应气体进行检测和定量测试。这使得ZnO一维纳米线场效应晶体管可以用于气体、湿度和化学传感器、光电和紫外探测器、存储器(Memory)等应用领域。尤其是能够对有毒气体(如CO、NH3等)进行探测，通过场效应晶体管的跨导变化，即可检测出气体的组成及浓度。与常规SnO2气体传感器相比，基于ZnO纳米线场效应晶体管的气体传感器具有尺寸小，成本低，可重复利用等优点。
综上所述，ZnO纳米线场效应晶体管的研制在纳米电子学和新型纳米传感器方面具有重要的研究和应用价值，将会对国民经济的发展起到重要的推动作用。
但是，近年来国际上多数研究成果都是针对ZnO单纳米线FET器件及其应用，器件工作电流较小，研制ZnO多纳米线沟道FET的报道较少，器件性能还有待于进一步提高。考虑到现有报道ZnO纳米线FET器件的开态工作电流较低，成为实际应用的主要技术瓶颈之一，因此高开态工作电流的ZnO纳米线FET器件是目前ZnO纳米器件的一个重要研究方向。
如何提高器件电流需要重点研究。首先，将多根纳米线作为并联沟道是一种可行的技术方案，并已成功应用于碳纳米管FET和Si纳米线FET的制作。如果将多根ZnO纳米线作为并联沟道，则能够大幅度提高ZnO纳米线FET的电流、跨导、截止频率等器件性能以及紫外传感性能。其次，一般ZnO纳米线FET是将ZnO纳米线转移到衬底表面上，整根纳米线的下表面与介质相接触，如果将作为沟道的ZnO纳米线悬浮于空中，则使得部分纳米线的下表面积也可以与外部环境接触，有利于提高器件的紫外、气体、化学传感性能。另外，与在衬底下面制作背栅电极不同，将栅氧介质和栅电极制作在纳米线的上面，形成顶栅结构的金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)FET，则可以增强栅电极调控能力，将进一步提高器件性能；并且顶栅FET结构能够分别控制每一个ZnO纳米线FET，而同一衬底上的背栅FET器件共用一个背栅电极，所以无法有效的控制单个FET。因此，高性能顶栅ZnO多纳米线沟道的FET器件对于大电流应用是一个理想的选择。
发明内容
(一)要解决的技术问题
常规ZnO纳米线场效应晶体管多为单根ZnO纳米线，器件电流较低，与实际应用有较大差距，为了解决这一问题，将多根ZnO纳米线作为并联沟道，并且将纳米线沟道部分悬浮于空气中，提高器件和传感性能。
在“由下至上”的顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作过程中，由于ZnO纳米线的直径为百纳米量级，且需要从其生长衬底表面转移到器件制备衬底表面，多根ZnO纳米线的转移与精确组装对于顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作是必不可少的。而且，栅氧介质生长和顶栅电极制作也是实现高性能顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的关键工艺。因此，开发一种顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的工艺流程是一个很重要的技术课题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，该方法包括：
步骤101：在衬底表面生长SiO2介质；
步骤102：在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极；
步骤103：超声降解ZnO纳米线材料；
步骤104：将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列；
步骤105：在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极；
步骤106：在ZnO纳米线之上生长栅氧介质层；
步骤107：在栅氧介质层之上制作顶栅电极。
上述方案中，步骤101中所述在衬底表面生长SiO2介质采用PECVD方法。
上述方案中，步骤102中所述在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
上述方案中，所述步骤103具体包括：将ZnO纳米线材料放入异丙醇溶液内，超声降解后，ZnO纳米线被分散在溶液内，以减少一维纳米线材料之间的相互缠绕。
上述方案中，所述步骤104具体包括：将含有ZnO纳米线的溶液滴于源漏电极之间的区域，利用交流双向介电电泳原理，在源漏电极两端施加交流电压，形成非均匀电场，并使电场内的中性微粒产生极化；由于非均匀电场内存在电场梯度，极化微粒两端受到的电场库仑力不平衡，库仑力的合力矩将驱动微粒运动；ZnO纳米线在电场的作用下，由杂乱无序的排列逐渐变为较一致的取向，实现批量ZnO纳米线的可控驱动与初步定位；然后，再利用基于AFM的纳米操控技术，精确操控指定的ZnO纳米线，将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列，与源漏电极的精确组装，并将多余纳米线拨离源漏电极。
上述方案中，所述步骤105具体包括：在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
上述方案中，步骤107中所述在栅氧介质层之上制作顶栅电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
(三)有益效果
本发明提供的这种顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作方法，包括介质生长、底层源漏电极制作、超声降解，多纳米线规则排列、顶层源漏电极制作、栅氧介质生长、顶栅电极制作。本发明利用ZnO纳米线材料，经过上述工艺流程，达到了制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的目的。
附图说明
图1是本发明提供的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法流程图；
图2是本发明制作的顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的剖面图；
图3是本发明制作的顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的立体图。
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。
如图1所述，图1是本发明提供的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法流程图，该方法包括：
步骤101：在衬底表面生长SiO2介质；在本步骤中，利用PECVD方法在衬底表面生长SiO2介质。
步骤102：在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极；在生长的SiO2介质的上面经过光刻、蒸发、剥离等步骤制作底层源漏电极。
步骤103：超声降解ZnO纳米线材料；将ZnO纳米线材料放入异丙醇溶液内，超声降解后，ZnO纳米线被分散在溶液内，以减少一维纳米线材料之间的相互缠绕。
步骤104：将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列；将含有ZnO纳米线的溶液滴于源漏电极之间的区域，利用交流双向介电电泳原理，在源漏电极两端施加交流电压，形成非均匀电场，并使电场内的中性微粒产生极化；由于非均匀电场内存在电场梯度，极化微粒两端受到的电场库仑力不平衡，库仑力的合力矩将驱动微粒运动；ZnO纳米线在电场的作用下，由杂乱无序的排列逐渐变为较一致的取向，实现批量ZnO纳米线的可控驱动与初步定位；然后，再利用基于AFM的纳米操控技术，精确操控指定的ZnO纳米线，将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列，与源漏电极的精确组装，并将多余纳米线拨离源漏电极。
步骤104：在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极；经过光刻、蒸发、剥离等步骤在底层源漏电极的上面制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极，将纳米线更好的固定在电极上，获得良好的源漏电极接触性能。
步骤105：在ZnO纳米线之上生长栅氧介质层。
步骤106：在栅氧介质层之上制作顶栅电极；经过光刻、蒸发、剥离等步骤在栅氧介质层的上面制作顶栅电极。
图2示出了本发明制作的顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的剖面图，图3示出了本发明制作的顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的立体图。
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 (7)
1.一种制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤101：在衬底表面生长SiO2介质；
步骤102：在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极；
步骤103：超声降解ZnO纳米线材料；
步骤104：将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列；
步骤105：在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极；
步骤106：在ZnO纳米线之上生长栅氧介质层；
步骤107：在栅氧介质层之上制作顶栅电极。
2.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤101中所述在衬底表面生长SiO2介质采用PECVD方法。
3.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤102中所述在生长的SiO2介质上制作底层源漏电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
4.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤103具体包括：
将ZnO纳米线材料放入异丙醇溶液内，超声降解后，ZnO纳米线被分散在溶液内，以减少一维纳米线材料之间的相互缠绕。
5.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤104具体包括：
将含有ZnO纳米线的溶液滴于源漏电极之间的区域，利用交流双向介电电泳原理，在源漏电极两端施加交流电压，形成非均匀电场，并使电场内的中性微粒产生极化；由于非均匀电场内存在电场梯度，极化微粒两端受到的电场库仑力不平衡，库仑力的合力矩将驱动微粒运动；ZnO纳米线在电场的作用下，由杂乱无序的排列逐渐变为较一致的取向，实现批量ZnO纳米线的可控驱动与初步定位；然后，再利用基于AFM的纳米操控技术，精确操控指定的ZnO纳米线，将纳米线放至底层源漏电极之上，实现多根悬浮ZnO纳米线的规则排列，与源漏电极的精确组装，并将多余纳米线拨离源漏电极。
6.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤105具体包括：
在底层源漏电极之上制作覆盖ZnO纳米线的顶层源漏电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
7.根据权利要求1所述的制作顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤107中所述在栅氧介质层之上制作顶栅电极，是通过光刻、蒸发和剥离步骤实现的。
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