CN102569072A - 一种通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法 - Google Patents

一种通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法 Download PDF

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罗林保
揭建胜
李方泽
于永强
江鹏
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Abstract

本发明涉及一种通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，首先合成未掺杂锗纳米线(1)，然后把未掺杂锗纳米线(1)分散在p+型硅衬底(2)上的二氧化硅层(3)的表面，利用光刻、电子束镀膜、去胶等手段在二氧化硅表面做好源漏金属电极(4)，使得有未掺杂锗纳米线(1)的两端分别被源漏金属电极(4)覆盖，且源漏金属电极(4)与未掺杂锗纳米线(1)为欧姆接触，最后直接在未掺杂锗纳米线场效应管表面沉积厚度为5～200nm的氧化钼层(5)得到电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管。本发明工艺简单、适合大规模生产，可以获得电学特性稳定的p型沟道锗纳米线场效应管。

Description

一种通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法
一、技术领域
本发明涉及通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，具体地说是一种利用表面电荷转移原理在锗纳米线场效应管表面沉积氧化钼薄层而制备出电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法。
二、背景技术
在过去的十年，一维半导体，如IV簇、III-V簇、II-VI簇纳米线，已被大量地研究并应用于各种领域，如场效应管、逻辑电路、发光二极管、太阳能电池、光电检测、生物化学传感器等。尤其是，单元素半导体纳米线，例如Ge和Si纳米线，由于存在大量的配对半导体并兼容于现有的半导体技术，展现出独特的电子特征。因此它们将是未来用于纳米尺寸功能器件的最有前途的基础材料。与Si纳米线相比，Ge纳米线展现出更高的电子空穴迁移率、更低的本征电阻率和更大的波尔激子半径。然而，未掺杂Ge纳米线电导率小，不适合于应用。同时，由于巨大的表面积与体积比，Ge纳米线的电学特征很容易受周围空气的影响，并且难以控制。Ge纳米线在空气中容易氧化，形成GeO2保护层，而且这GeO2保护层溶于水，使得Ge纳米线高度不稳。这些问题严重地限制了Ge纳米线场效应管的应用与发展。
三、发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种工艺简单、适合大规模生产的通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，以实现电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的制备，获得空气中电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，其特征是按如下步骤操作：
a、用化学气相沉积的方法合成长度大于10μm的未掺杂锗纳米线1；(Dunwei Wang，PureAppl.Chem.，Vol.79，No.1，pp.55-65，2007.)
b、在p+型硅衬底2的上表面有一厚度为50-600nm的二氧化硅层3，将未掺杂锗纳米线1分散在二氧化硅层3的表面得到样品A；
c、依次通过光刻、电子束镀膜和去胶在所述样品A的表面形成源漏金属电极4，使得未掺杂锗纳米线1的两端分别被源漏金属电极4覆盖，得到样品B；
d、直接在所述样品B上、位于所述源漏金属电极4所在一侧的表面沉积一层厚度为5-200nm的氧化钼层5，以所述氧化钼层5覆盖在未掺杂锗纳米线1上，得到电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管，其中p+型硅衬底2作为场效应管的栅电极。
所述步骤c中的源漏金属电极4是厚度为40-100nm的金电极，且所述金电极4与p型锗纳米线为欧姆接触。
所述步骤d中在所述样品B表面沉积氧化钼层5的方法是采用脉冲激光沉积法、电子束热蒸发法或磁控溅射法。
本发明的理论依据是表面电荷转移技术和氧化钼在空气中极度稳定的特点。表面电荷转移技术不同于传统的原位掺杂技术，其允许电荷从一种材料直接转移到另外一种材料，且不引起材料内部结构的变化，而能促成电荷转移的是两种材料的功函数的显著差别。氧化钼拥有一个很低的最低未占轨道值(LUMO)，约-6.7eV，和一个很低的最高未占轨道值(HUMO)，约-9.7eV，这意味着氧化钼的功函数远大于其它大多数半导体材料，因此很容易使空穴从氧化钼注入到其它半导体材料中。在这里，我们所研究的锗的导带最小值(Ec)和价带最大值(Ev)分别是-3.6eV和-4.3eV。其费米能级都在氧化钼的LUMO和HUMO之上，结果，当锗纳米线盖上一层氧化钼时，电子将自然地从锗纳米线转移到氧化钼中，使得锗纳米线的空穴浓度增大，由此而增强了锗纳米线的p型传导率。而由于氧化钼在空气中极度稳定的特点，在锗纳米线场效应管表面覆盖上一层氧化钼时，氧化钼不但通过增强锗纳米线的p型电导率提高了锗纳米线场效应管的可应用性，同时对于锗纳米线也起到了保护层的作用，明显提高了锗纳米线场效应管的电学特性稳定性。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过在锗纳米线场效应管表面沉积氧化钼，通过增强锗纳米线的p型电导率提高了锗纳米线场效应管的可应用性。
2、本发明通过在锗纳米线场效应管表面沉积氧化钼，成功地克服了锗纳米线在空气中性能不稳定的难题，为锗纳米线场效应管的应用与发展清理了重要的障碍。
3、本发明通过在锗纳米线场效应管表面沉积氧化钼，实现了电学特性稳定的p型电导增强的锗纳米线场效应管的制备，工艺简单，适合大规模生产。
四、附图说明
图1为本发明制备的锗纳米线场效应管的工艺流程图。
其中：1为未掺杂锗纳米线；2为p+型硅衬底；3为二氧化硅层；4为源漏金属电极；5为为氧化钼层。
图2为本发明中锗纳米线的FESEM图。
图3为本发明中氧化钼的I-V特性曲线以及真空中锗纳米线、空气中锗纳米线和沉积有氧化钼的锗纳米线的I-V特性曲线。其中曲线1为氧化钼的I-V特性曲线，曲线2为真空中锗纳米线的I-V特性曲线，曲线3为空气中锗纳米线的I-V特性曲线，曲线4为沉积有氧化钼的锗纳米线的I-V特性曲线。
图4为本发明中沉积氧化钼后的p型锗纳米线场效应管的扫描特性曲线图。
图5为本发明中沉积氧化钼前与沉积氧化钼后的锗纳米线场效应管在相同源漏电压下的源漏电流与时间的关系图，其中曲线1为沉积氧化钼前的锗纳米线场效应管在源漏电压不变的条件下源漏电流与时间的关系曲线，曲线2为沉积氧化钼后的锗纳米线场效应管在源漏电压不变的条件下源漏电流与时间的关系曲线。
五、具体实施方式
实施例1：
称取2g高纯锗粉末(纯度99.99％)放入Al2O3小瓷舟中，并将小瓷舟放到管式炉的中间，在载气下游8cm处放置镀有Au膜(Au膜厚度10nm)p型重掺杂氧化硅片(SiO2厚度300nm)。把真空抽到1Pa以下，以20sccm的流速通入Ar/H2混合气(Ar和H2的体积比为95∶5)，维持气压在4×103Pa左右，以15℃/min的加热速度将小瓷舟加热到900℃，以7.5℃/min的加热速度将镀Au氧化硅片加热到450℃，保温1h，即可合成出未掺杂锗纳米线1。
把合成的未掺杂锗纳米线1分散在已清洗干净的p+型硅衬底2上的厚度为300nm的二氧化硅层3表面得到样品A(如图1中A)；
利用光刻、电子束镀膜、去胶等手段在所述样品A表面形成厚度为80nm的源漏金属电极4，使得有未掺杂锗纳米线1的两端分别被源漏金属电极4覆盖，得到样品B，即未掺杂锗纳米线场效应管(如图1中B)；
利用Keithley 4200-SCS电学表征系统对置于真空中的和置于空气中的未掺杂锗纳米线场效应管进行电学测试，同时对置于空气中的未掺杂锗纳米线场效应管进行为期10天的电学测试。
本实施例的未掺杂锗纳米线的FESEM图如图2所示，有图可知所合成未掺杂锗纳米线长度普遍大于10μm；置于真空中的未掺杂锗纳米线场效应管的源漏电流(Ids)-源漏电压(Vds)曲线如图3中曲线2所示，置于空气中的未掺杂锗纳米线场效应管的源漏电流(Ids)-源漏电压(Vds)曲线如图3中曲线3所示，置于空气中的未掺杂锗纳米线场效应管在源漏电压(Vds)不变的条件下源漏电流(Ids)与时间的关系如图5中曲线1所示。从以上各图可知，未掺杂锗纳米线在真空中电导率小，在空气中电学特性极度不稳定。
实施例2：
称取2g高纯锗粉末(纯度99.99％)放入Al2O3小瓷舟中，并将小瓷舟放到管式炉的中间，在载气下游8cm处放置镀有Au膜(Au膜厚度10nm)p型重掺杂氧化硅片(SiO2厚度300nm)。把真空抽到1Pa以下，以20sccm的流速通入Ar/H2混合气(Ar和H2的体积比为95∶5)，维持气压在4×103Pa左右，以15℃/min的加热速度将小瓷舟加热到900℃，以7.5℃/min的加热速度将镀Au氧化硅片加热到450℃，保温1h，即可合成出未掺杂锗纳米线1。
把合成的未掺杂锗纳米线1分散在已清洗干净的p+型硅衬底2上的厚度为300nm的二氧化硅层3表面得到样品A(如图1中A)；
利用光刻、电子束镀膜、去胶等手段在所述样品A表面形成厚度为80nm的源漏金属电极4，使得有未掺杂锗纳米线1的两端分别被源漏金属电极4覆盖，得到样品B，即未掺杂锗纳米线场效应管(如图1中B)；
利用脉冲激光沉积的方法或电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在所述样品B表面沉积一层厚度为30nm的氧化钼层5得到电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管，其中p+型硅衬底2作为场效应管的栅电极(如图1中C)。
利用Keithley 4200-SCS电学表征系统对置于空气中的沉积有氧化钼的p型锗纳米线场效应管进行电学测试，同时对置于空气中的沉积有氧化钼的p型锗纳米线场效应管进行为期10天的电学测试。
本实施中氧化钼的I-V特性曲线如图3中曲线1所示，置于空气中的沉积有氧化钼的p型锗纳米线场效应管的源漏电流(Ids)-源漏电压(Vds)曲线如图3中曲线4所示，而其扫描特性曲线图如图4所示，置于空气中的沉积有氧化钼的p型锗纳米线场效应管在源漏电压(Vds)不变的条件下源漏电流(Ids)与时间的关系如图5中曲线2所示。从以上各图可知，氧化钼为高度绝缘的，通过在锗纳米线场效应管表面沉积氧化钼所得到为p型电导增强的p型沟道场效应管，同时，锗纳米线场效应管的电学特性在空气中保持高度稳定。

Claims (3)

1.一种通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，其特征是按如下步骤操作：
a、用化学气相沉积的方法合成长度大于10μm的未掺杂锗纳米线(1)；
b、在p+型硅衬底(2)的上表面有一厚度为50-600nm的二氧化硅层(3)，将未掺杂锗纳米线(1)分散在二氧化硅层(3)的表面得到样品A；
c、依次通过光刻、电子束镀膜和去胶在所述样品A的表面形成源漏金属电极(4)，使得未掺杂锗纳米线(1)的两端分别被源漏金属电极(4)覆盖，得到样品B；
d、直接在所述样品B上、位于所述源漏金属电极(4)所在一侧的表面沉积一层厚度为5-200nm的氧化钼层(5)，以所述氧化钼层(5)覆盖在未掺杂锗纳米线(1)上，得到电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管，其中p+型硅衬底(2)作为场效应管的栅电极。
2.根据权利要求1所述的通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，其特征是所述步骤c中的源漏金属电极(4)是厚度为40-100nm的金电极，且所述金电极(4)与p型锗纳米线为欧姆接触。
3.根据权利要求1所述的通过沉积氧化钼制备电学特性稳定的p型锗纳米线场效应管的方法，其特征是所述步骤d中在所述样品B表面沉积氧化钼层(5)的方法是采用脉冲激光沉积法、电子束热蒸发法或磁控溅射法。
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