CN102856196B - 基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法 - Google Patents

基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法。具体工艺为：用水热法在绝缘硅片上制备长径比较大的纳米线阵列；用HF将两端的氧化锌及硅的氧化物洗去，分别连出导线作为FET的源极和漏极；ZnO纳米线阵列受力产生的压电势作为调节源漏电流的门电压。这个基于纳米线阵列的压电场效应晶体管是一个不需要提供外接门电压的FET，是一种制备由应变、应力或压强驱动和控制的电子器件和传感器的新方法。该器件的制作成本低、方法简单、效率高，与单根纳米线的器件相比，本发明构建的FET可在宏观条件下使用，不需纳米操控平台等精密设备，对操作的要求低，密度较大的纳米线使得器件稳定性更好，寿命更长，可应用于大规模生产。

Description

基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法
技术领域
本发明涉及纳米技术和半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种基于ZnO纳米材料的压电场效应晶体管（PE-FET）的构建方法。该器件可以通过施加外力对源漏电流进行调制，这是一种新的器件构筑方法，实现了通过机械信号对电子器件电学性能的调制。
背景技术
近年来，纳米科学和技术的迅速发展，已经对社会的经济发展、科学技术进步、人类生活等方面产生了巨大影响。纳米科学和技术正在信息、材料、能源、环境、化学、微电子、微制造、生物、医学和国防等方面显示出广阔的应用前景。
一维纳米材料，包括纳米线/棒、纳米带、纳米针、纳米同轴电缆和纳米管等，具有独特的电学、力学、光学以及它们之间的交互耦合效应等性质，被认为是构筑下一代电子、光电子、纳机电器件的基础。氧化锌是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，具有特殊的导电、导热性能，化学性质非常稳定。同时，氧化锌具有压电特性，在非轴向应力作用下，晶体内部由于Zn2+ 和O2–发生相对位移而产生压电电势， ZnO的半导体特性与这种压电特性的耦合作用使得晶体内的压电势对其表面及连接处的电荷输运产生极大的影响。压电场效应晶体管（PE-FET）则是利用压电效应产生的压电势作为栅极电压来调控源漏极电流，显示了一种制备由应变、应力或压强驱动和控制的电子器件和传感器的新方法，并得到了广泛的关注。
目前，国际上已有基于ZnO纳米材料的纳米发电机、压电场效应晶体管等方面的研究（Piezoelectric Field Effect Transistor and Nanoforce Sensor Based on aSingle ZnO Nanowire,《Nano Letters》, 2006. Vol.6, No.12, 2768-2772;Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays.《Science》,2006, Vol. 312 , no. 5771, 242-246; Piezoelectric Gated Diode of a Single ZnONanowire. 《Advanced Materials》, 2007, Vol 19, Issue 6, 781–784）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法，这个基于纳米线阵列的PE-FET是以压电电势代替传统门电压控制源漏电流的新型FET。当纳米线阵列受到不同大小的外力时，源漏电流随之产生相应的变化，即该器件的电信号可以通过外界的机械信号来调控。因此，它也可以作为用于检测外力的的传感器。此种器件的制作成本低、方法简单、效率高，与单根的纳米线相比，对使用环境要求较低，操作简单，效果稳定，可应用于大规模生产的要求。
本发明的技术方案是，一种基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管（PE-FET）的构建方法，具体包括以下步骤：
1）.ZnO纳米线阵列的制备：
1.1）将N型掺杂绝缘硅片依次在去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇中超声、洗净，并于60℃烘干备用；
1.2）将Zn(NO3)2、(CH2)6N4和聚醚酰亚胺溶解在水中，配制成Zn(NO3)2的浓度为0.05mol/L 、(CH2)6N4的浓度为0.05mol/L和聚醚酰亚胺的浓度为0.004~0.007 mol/L的前驱液，备用；
1.3）将Zn(CH3CO2)2和HO(CH2)2NH2溶解在乙二醇独甲醚中，Zn(CH3CO2)2浓度为0.5mol/L和HO(CH2)2NH2浓度为0.5mol/L的的晶种液，将得到的晶种液匀涂在步骤1.1处理过的N型掺杂绝缘硅片上并在350-450℃下退火30-45min，备用；
1.4）将表面留有晶种层的N型掺杂绝缘硅片至于放有步骤1.2制备得到的前驱液的反应釜中，在90-95℃ 下密封生长10-12h，此步骤重复两次，得到生长有长度在4-6mm的ZnO纳米线阵列的绝缘硅片；
2）.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建：
2.1）将生长有ZnO纳米线阵列的绝缘硅片的两端用HF酸进行腐蚀，洗去上面的氧化锌及硅的氧化物，露出下面N型掺杂硅片的部分；
2.2）在两端裸露出的掺杂硅片上点上银胶，连出铜导线分别作为FET的源极和漏极，栅极则由中间的ZnO纳米线阵列提供，得到基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管。
当纳米线阵列受到不同大小的外力时，源漏电流随之产生相应的变化，即该器件可以通过施加外力对源漏电流进行调制，这是以ZnO纳米线阵列代替门电极构筑场效应晶体管的新方法。
本发明的优点在于：
1.本发明制备了纳米ZnO阵列，纳米线长度为4-6mm，直径为30-150nm。此纳米线为单晶材料，结晶性好，长径比大，晶体生长取向为[0001]，具有优异的压电特性，可应用于压电微机/纳机系统的研究。
2.此种FET可以将外界的机械信号转换为电信号，突破了传统的FET需要门电压调控电流的方法，同时也可以作为检测力的传感器。
3.本发明构建的FET可在宏观条件下完成，不需纳米操控平台等精密设备，对操作的要求较低，密度较大的纳米线使得器件稳定性更好，寿命更长。
附图说明
图1为采用水热法制备的ZnO纳米线阵列扫描电镜的侧视图，纳米线长度为5mm左右。
图2为采用水热法制备的ZnO纳米线阵列扫描电镜的俯视图，纳米线直径为50nm左右。
图3为在生长在绝缘硅片上的ZnO纳米线阵列（NWAs）的基础上构建的PE-FET的结构原理图。
图4为在纳米线阵列的垂直方向上施加0mN到50mN的外力时，源漏电流随着外力变化的关系。
图5表明对于N型掺杂的硅片作为导电沟道的FET，随着施加外力的增加，产生的正压电势增加，使得硅片中载流子富集而导致导电性增加，因此电流也随之变大。
图中：
1. N型掺杂绝缘硅片，2.绝缘层（硅的氧化物），3. ZnO纳米线阵列，4. FET的源极（S），5.FET的漏极（D），6.绝缘层（硅的氧化物）。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行进一步说明：
实施例一
1）.ZnO纳米线阵列的制备：
1.1）将N型掺杂绝缘硅片依次在去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇中超声、洗净，并于60℃烘干备用；
1.2）将Zn(NO3)2、(CH2)6N4和聚醚酰亚胺溶解在水中，配制成Zn(NO3)2的浓度为0.05mol/L 、(CH2)6N4的浓度为0.05mol/L和聚醚酰亚胺的浓度为0.004 mol/L的前驱液，备用；
1.3）将Zn(CH3CO2)2和HO(CH2)2NH2溶解在乙二醇独甲醚中，Zn(CH3CO2)2浓度为0.5mol/L和HO(CH2)2NH2浓度为0.5mol/L的的晶种液，将得到的晶种液匀涂在步骤1.1处理过的N型掺杂绝缘硅片上并在350℃下退火30min，备用；
1.4）将表面留有晶种层的N型掺杂绝缘硅片至于放有步骤1.2制备得到的前驱液的反应釜中，在90℃ 下密封生长10h，此步骤重复两次，得到生长有长度在4mm、直径为50nm左右的ZnO纳米线阵列的绝缘硅片；
2）.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建：
2.1）将生长有ZnO纳米线阵列的绝缘硅片的两端用HF酸进行腐蚀，洗去上面的氧化锌及硅的氧化物，露出下面N型掺杂硅片的部分；
2.2）在两端裸露出的掺杂硅片上点上银胶，连出铜导线分别作为FET的源极和漏极，栅极则由中间的ZnO纳米线阵列提供，得到基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管。
3. 在ZnO纳米线阵列的垂直方向上施加从0mN到50mN依次增大的外力，源漏极两端加上-3.5V到3.5V的扫描电压。随着外力的增加，纳米线的变形增加，压电势也随之增加。由于纳米线沿着c轴方向生长，顶部为锌终面，所以在受到压力的时候阵列上方产生负电势，下方产生正电势，即对于N型掺杂的硅片作为导电沟道的FET，其栅极电压为正电，介电层中的载流子发生富集而导致导电性增加，因此得到的I-V特性曲线，电流随着外力的增加而增加。且外接电压为3V时，对应于0mN与50mN的外应力下电流的变化率S=(I-I0)/I0=1.139。
此发明构筑的器件可以通过外加机械信号来调控导电沟道中电荷的流动，达到控制FET中源漏电流的作用。
实施例二
1）.ZnO纳米线阵列的制备：
1.1）将N型掺杂绝缘硅片依次在去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇中超声、洗净，并于60℃烘干备用；
1.2）将Zn(NO3)2、(CH2)6N4和聚醚酰亚胺溶解在水中，配制成Zn(NO3)2的浓度为0.05mol/L 、(CH2)6N4的浓度为0.05mol/L和聚醚酰亚胺的浓度为0.0055 mol/L的前驱液，备用；
1.3）将Zn(CH3CO2)2和HO(CH2)2NH2溶解在乙二醇独甲醚中，Zn(CH3CO2)2浓度为0.5mol/L和HO(CH2)2NH2浓度为0.5mol/L的的晶种液，将得到的晶种液匀涂在步骤1.1处理过的N型掺杂绝缘硅片上并在370℃下退火37min，备用；
1.4）将表面留有晶种层的N型掺杂绝缘硅片至于放有步骤1.2制备得到的前驱液的反应釜中，在92.5℃ 下密封生长11h，此步骤重复两次，得到生长有长度在5mm、直径在150nm的ZnO纳米线阵列的绝缘硅片；
2）.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建：
2.1）将生长有ZnO纳米线阵列的绝缘硅片的两端用HF酸进行腐蚀，洗去上面的氧化锌及硅的氧化物，露出下面N型掺杂硅片的部分；
2.2）在两端裸露出的掺杂硅片上点上银胶，连出铜导线分别作为FET的源极和漏极，栅极则由中间的ZnO纳米线阵列提供，得到基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管。
此发明构筑的器件可以通过外加机械信号来调控导电沟道中电荷的流动，达到控制FET中源漏电流的作用。
实施例三
1）.ZnO纳米线阵列的制备：
1.1）将N型掺杂绝缘硅片依次在去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇中超声、洗净，并于60℃烘干备用；
1.2）将Zn(NO3)2、(CH2)6N4和聚醚酰亚胺溶解在水中，配制成Zn(NO3)2的浓度为0.05mol/L 、(CH2)6N4的浓度为0.05mol/L和聚醚酰亚胺的浓度为0.007 mol/L的前驱液，备用；
1.3）将Zn(CH3CO2)2和HO(CH2)2NH2溶解在乙二醇独甲醚中，Zn(CH3CO2)2浓度为0.5mol/L和HO(CH2)2NH2浓度为0.5mol/L的的晶种液，将得到的晶种液匀涂在步骤1.1处理过的N型掺杂绝缘硅片上并在450℃下退火45min，备用；
1.4）将表面留有晶种层的N型掺杂绝缘硅片至于放有步骤1.2制备得到的前驱液的反应釜中，在95℃ 下密封生长12h，此步骤重复两次，得到生长有长度在6mm的ZnO纳米线阵列的绝缘硅片；
2）.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建：
2.1）将生长有ZnO纳米线阵列的绝缘硅片的两端用HF酸进行腐蚀，洗去上面的氧化锌及硅的氧化物，露出下面N型掺杂硅片的部分；
2.2）在两端裸露出的掺杂硅片上点上银胶，连出铜导线分别作为FET的源极和漏极，栅极则由中间的ZnO纳米线阵列提供，得到基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管。

Claims (1)

1.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1.）ZnO纳米线阵列的制备：
1.1）将N型掺杂绝缘硅片依次在去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇中超声、洗净，并于60℃烘干备用；
1.2）将Zn(NO3)2、(CH2)6N4和聚醚酰亚胺溶解在水中，配制成Zn(NO3)2的浓度为0.05mol/L 、(CH2)6N4的浓度为0.05mol/L和聚醚酰亚胺的浓度为0.004~0.007 mol/L的前驱液，备用；
1.3）将Zn(CH3CO2)2和HO(CH2)2NH2溶解在乙二醇独甲醚中，得到Zn(CH3CO2)2浓度为0.5mol/L和HO(CH2)2NH2浓度为0.5mol/L的晶种液，将得到的晶种液匀涂在步骤1.1处理过的N型掺杂绝缘硅片上并在350-450℃下退火30-45min，备用；
1.4）将表面留有晶种层的N型掺杂绝缘硅片置于放有步骤1.2制备得到的前驱液的反应釜中，在90-95℃ 下密封生长10-12h，此步骤重复两次，得到生长有长度在4-6mm的ZnO纳米线阵列的绝缘硅片；
2）.基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管的构建：
2.1）将生长有ZnO纳米线阵列的绝缘硅片的两端用HF酸进行腐蚀，洗去上面的氧化锌及硅的氧化物，露出下面N型掺杂硅片的部分；
2.2）在两端裸露出的掺杂硅片上点上银胶，连出铜导线分别作为FET的源极和漏极，栅极则由中间的ZnO纳米线阵列提供，得到基于ZnO纳米线阵列的压电场效应晶体管。
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