CN112885894A - 碲-氮化硼复合材料及其制备方法和场效应器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲‑氮化硼复合材料及其制备方法和场效应器件，该制备方法包括以下步骤：S1、在基板上制备氮化硼纳米管；S2、在所述氮化硼纳米管的表面覆上光刻胶，然后采用光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺，将所述氮化硼纳米管切割成具有两端开口的段体，去除所述光刻胶；S3、将步骤S2得到的基板浸入45～55℃的氨水中处理，然后置于空气氛围中在800～900℃热处理；S4、将步骤S3得到的基板和碲粉置于真空密闭体系中，在300～500℃加热。本发明使用氮化硼纳米管作为碲半导体的包覆材料，解决碲纳米线材料在常温空气条件下工作稳定性差的问题，在场效应器件中具有更好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种碲-氮化硼复合材料及其制备方法和场效应器件。
背景技术
现代微电子集成电路芯片的快速发展主要是通过不断减小芯片的特征尺寸；来实现的，但是随着微电子工艺技术和加工水平的不断提升，沟道长度的进一步减小将会受到若干因素的限制。例如，纳米尺度的低维材料体系中会存在尺寸效应和量子效应，从而导致电子器件的物理效应(例如短沟道效应、DIBL效应、热电子等)加剧。同时，芯片的小型化也会限制了金属连线的尺寸，从而导致引线电阻增大和电流承载能力下降等一系列问题，对芯片和器件的性能产生重要影响。因此，业界迫切的需要开发新型的半导体材料及工艺和构建新型器件结构，才能突破现阶段半导体产业发展的瓶颈。
载流子迁移率评价场效应逻辑器件性能的的一个重要指标，它是标志沟道中载流子在电场作用下运动快慢的重要物理量。需要指出的是，迁移率的提高能够有效的改善特征尺寸减小对芯片性能的负面影响，改善器件的频率、速度和噪音等性能。最新研究证明，碲(Te)是一种具有P型导电的单质半导体材料，其具有极高的空穴载流子迁移率(＞400cm2/Vs)，因此使用Te作为沟道材料可以有效的改善微纳米场效应器件性能。但是，Te的熔点只有427℃，当沟道中通过较大密度的电流时，产生的焦耳热很容易导致器件发生击穿失效，极大的限制了Te在常温空气下条件下应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种碲-氮化硼复合材料的制备方法，制备出的复合材料稳定性高，具有更好的应用前景。
本发明还提出一种由上述制备方法制得的碲-氮化硼复合材料。
本发明还提出一种包括上述碲-氮化硼复合材料的场效应器件。
本发明的第一方面，提供碲-氮化硼复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基板上制备氮化硼纳米管；
S2、在所述氮化硼纳米管的表面覆上光刻胶，然后采用光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺，将所述氮化硼纳米管切割成具有两端开口的段体，去除所述光刻胶；
S3、将步骤S2得到的基板浸入25～55℃的氨水中处理，然后置于空气氛围中在800～900℃热处理；
S4、将步骤S3得到的基板和碲粉置于真空密闭体系中，在300～500℃加热。
根据本发明实施例的碲-氮化硼复合材料的制备方法，至少具有如下有益效果：
氮化硼(BN)具有超高的热导率(390W/(m·K))，其同时具备绝缘和高导热的性能，能够有效地提高芯片散热能力。此外氮化硼还具有一系列其他的物理性能，包括宽带隙(约5.5eV)、独特的紫外发光性能、机械强度高、耐化学腐蚀性等，这些特性使得氮化硼在电子功率器件应用领域具有广泛的应用前景。本发明实施例使用氮化硼纳米管作为碲半导体的包覆材料，可以有效地传导运行中产生的焦耳热，提高器件的电流承载能力，同时也作为保护层屏蔽外界环境中的氧气和水分对器件性能的影响，解决碲纳米线材料在常温空气条件下工作稳定性差的问题，相比单质碲纳米线，利用本发明实施例的方法制备的碲-氮化硼复合材料形成的器件的极限电流负载能力显著增强，高温稳定性有效提高。此外，本发明实施例先采用反应离子刻蚀工艺对氮化硼纳米管进行开口，然后置于氨水中进行热处理以去除端口的刻蚀反应物残渣，相较于将氮化硼纳米管直接置于氨水中处理的方式，本发明的处理方法使得氮化硼纳米管的开口效率更高，利于后续碲粉的填充。本发明实施例采用将氮化硼纳米管在基板上制备的方式，利用后续对制备材料的表征和器件的制备，碲粉填充完毕后即可进行器件的制备测试，制备更加高效，和现有的半导体工艺相容性更高。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中所述基板为SiO2/Si基板。
根据本发明的一些实施例，步骤S1具体为：在Si基板上生长氮化硼纳米管，然后倒置于SiO2/Si基板上，拖动所述Si基板使得所述氮化硼纳米管转移至所述SiO2/Si基板上。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述的段体的长度为25～35μm。
根据本发明的一些实施例，步骤S4中，所述真空密闭体系的真空度＜10-2Torr。
根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述氨水的体积分数为10％～30％。
根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述热处理的时间为1～3h。
根据本发明的一些实施例，步骤S4中，所述加热的时间为6～8天。
根据本发明的一些实施例，步骤S4中，所述步骤S3得到的基板与所述碲粉之间的放置距离为6～10cm。
根据本发明的一些实施例，步骤S4具体为：将步骤S3得到的基板放置于石英管的底部，将碲粉放置于所述石英管的中部，使用氧乙炔焰对所述石英管进行真空封口，设置所述石英管的中部的温度为300～500℃。
本发明的第二方面，提供一种碲-氮化硼复合材料，由上述的碲-氮化硼复合材料的制备方法制得。
本发明的第三方面，提供一种场效应器件，包括上述的碲-氮化硼复合材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例步骤一中采用化学气相沉积工艺制备的生长在硅基板表面的氮化硼纳米管阵列扫描显微照片；
图2为本发明实施例步骤二中将氮化硼纳米管转移至SiO2/Si基板后的光学显微照片；
图3为本发明实施例步骤三中采用采用标准光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺切割氮化硼纳米管之后的扫描显微照片；
图4为本发明实施例制备的碲-氮化硼复合纳米管截面透射图片；
图5为本发明实施例制备的碲-氮化硼复合纳米管在空气氛围中不同基板温度下的的拉曼光谱谱图；
图6为不同刻蚀时间条件下器件的电流-电压曲线。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例
本发明实施例提供一种碲-氮化硼复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：
一、准备原料：采用化学气相沉积工艺在Si基板上制备高纯氮化硼纳米管阵列、1g纯度为99.999％的高纯碲晶体粉末。
二、氮化硼纳米管转移：首先将步骤一中得到的生长在Si基板表面的氮化硼纳米管阵列倒置在目标SiO2/Si基板上，轻微匀速拖动即可实现纳米管阵列在目标基板的高效率转移。
三、氮化硼纳米管开口：在氮化硼纳米管的表面旋涂光刻胶，采用标准光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺，将连续的氮化硼纳米管切割成长度为30μm的均匀段体用以打开纳米管两侧的封闭端口，然后用丙酮去除光刻胶。将基板浸泡至30％的氨水溶液中50℃处理10min，取出后将样品在空气氛围内加热到850℃，热处理时间为2h。氨水溶液结合空气氛围内热处理可以去除端口处的刻蚀反应物残渣，提高碲晶体的填充效率。
四、碲晶体填充：将步骤三得到的基板放入内径为5mm的石英管底部，然后将1g高纯的碲粉放置石英管中部，距离底部距离约为8cm，使用氧乙炔焰进行真空封口，石英管内部真空度＜10-2Torr；然后将石英管放置在管式炉中进行加热进行碲晶体的填充，炉腔中心温度为400℃，加热时间为7天。碲前驱体和氮化硼纳米管分开放置，可以提高后继碲-氮化硼复合纳米线的筛选效率，避免产物中引入过量的块状碲晶体。
图1为步骤一中采用化学气相沉积工艺制备的生长在硅基板表面的氮化硼纳米管阵列扫描显微照片，由图1可知得到的氮化硼纳米管直径分布均匀，长达大于100μm。图2为步骤二中将氮化硼纳米管转移至SiO2/Si基板后的光学显微照片，从图2可以看出，氮化硼纳米管成功转移至SiO2/Si基板上。
图3为步骤三中采用采用标准光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺切割氮化硼纳米管之后的扫描显微照片，由图3可知，氮化硼纳米管可以被切割为长度为30μm的均匀段体。
将本实施例制备的碲-氮化硼复合纳米管转移至铜网表面进行透射电子显微镜表征，如图4所示，图4为本实施例制备的碲-氮化硼复合纳米管截面透射图片，由图4可知碲晶体可以均匀填充至氮化硼纳米管内部，并且碲纳米线和氮化硼纳米管内壁界面结合紧密。
对本实施例制备的碲-氮化硼复合纳米管进行拉曼光谱的分析表征。如图5所示，图5为同一样品在空气氛围中不同基板温度下的拉曼光谱谱图，由图5所示，氮化硼纳米管包覆之后，碲纳米线在350℃条件下仍然能够保持较高的稳定性，晶体结构并未发生变化。
结合电子束光刻、等离子刻蚀和金属化蒸镀等工艺构造双电极场效应器件，器件沟道长度分别为100、200和300纳米。制备电极前，需要采用反应离子刻蚀对电极接触部位进行处理，气氛为Ar气，处理时间分别为0、10和20秒。对碲-氮化硼复合纳米线器件的极限负载电流能力进行测试，如图6所示，图6是不同刻蚀时间条件下器件的电流-电压曲线，由图5可知随着刻蚀时间增加，器件的极限负载电流增加，达到38.8×106A/cm2。
上述步骤三中使用的氨水溶液的体积分数不限于30％，如可以为10％。氨水溶液的温度不限于50℃，如可以为25℃。
本发明实施例的步骤一中制得的氮化硼纳米管的平均内径为7nm，最小内径可达2nm。
本发明实施方式步骤三中得到碲-氮化硼复合纳米管后，结合电子束光刻、等离子刻蚀和金属化蒸镀等工艺构造双电极场效应器件。在相同工作条件下，本实施方式制备的超高电流负载能力的碲-氮化硼复合纳米线与碲纳米线相比，极限负载电流增加至少5倍。同时，碲-氮化硼复合纳米线高温稳定性好，在空气氛围中高温350℃保持5min后，碲晶体结构仍然不发生改变，具有较好的应用前景。
Claims (10)
1.碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在基板上制备氮化硼纳米管；
S2、在所述氮化硼纳米管的表面覆上光刻胶，然后采用光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺，将所述氮化硼纳米管切割成具有两端开口的段体，去除所述光刻胶；
S3、将步骤S2得到的基板浸入25～55℃的氨水中处理，然后置于空气氛围中在800～900℃热处理；
S4、将步骤S3得到的基板和碲粉置于真空密闭体系中，在300～500℃加热。
2.根据权利要求1所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1具体为：在Si基板上生长氮化硼纳米管，然后倒置于SiO2/Si基板上，拖动所述Si基板使得所述氮化硼纳米管转移至所述SiO2/Si基板上。
3.根据权利要求1所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的段体的长度为25～35μm。
4.根据权利要求1所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述真空密闭体系的真空度＜10-2Torr。
5.根据权利要求1至4任一项所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述氨水的体积分数为10％～30％。
6.根据权利要求1至4任一项所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述热处理的时间为1～3h。
7.根据权利要求1至4任一项所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述加热的时间为6～8天。
8.根据权利要求1至4任一项所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：将步骤S3得到的基板放置于石英管的底部，将碲粉放置于所述石英管的中部，使用氧乙炔焰对所述石英管进行真空封口，设置所述石英管的中部的温度为300～500℃。
9.碲-氮化硼复合材料，其特征在于，由权利要求1至8任一项所述的碲-氮化硼复合材料的制备方法制得。
10.场效应器件，其特征在于，包括权利要求9所述的碲-氮化硼复合材料。
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