1、纳米线场效应管 一 什么叫纳米线 在纳米尺度下，物质中电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响。由纳 米颗粒组成的纳米材料具有以下传统材料所不具备的特殊性能： （1）表面效应 （2） 小尺寸效应 （3） 量子尺寸效应 （4） 宏观量子隧道效应 纳米材料按维数可分为：零维的纳米颗粒和原子团簇，它们在空间的三维尺度均在纳米尺 度内（均小于100nm） ；一维的纳米线、纳米棒和纳米管，它们在空间有二维处于纳米尺 度；二维的纳米薄膜，纳米涂层和超晶格等，它们在空间有一维处于纳米尺度。 近年来，一维的纳米材料如纳米管，纳米线已成为纳米科学研究的热点，一维纳米材料的 奇异物理、化学特性和在构建
2、纳米级电子和光电子器件方面的巨大应用潜力推动了纳米线 (管)的生长和特性研究。纳米材料的量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应吲和界面效应 使其具有一系列优异的电、磁、光、力学和化学等宏观效应，使材料在电学、机械、化学 和光学方面出现了独特的性能。目前世界各国都将此方面的研究列为重点发展项目。我国 也很重视此方面的研究。我国著名科学家钱学森在1991年就曾预言“纳米左右和纳米以下“ 研究领域处于国际领先地位。 近年来，随着集成电路加工技术的不断发展，器件加工尺度已进入45nm范畴，当今纳米尺 度新型半导体材料和器件的制备和特性研究越来越成为半导体器件领域的研究热点。通过 将碳纳米管、硅纳米线等半导
3、体纳米线直接搭接在金属隔离沟道电极两端，世界上多个研 究组已制作出了纳米尺度的新型场效应晶体管，研究发现，这种由单根半导体纳米线组装 的新型场效应晶体管，具有制备工艺简单，成本低，易于生产制造等特点。对开发新型半 导体器件有很大的参考和价值，对未来的集成电路工业的发展具有的重要的指导意义和现 实意义。 近来纳米氧化锌(ZnO)半导体材料的应用研究已成为世界范围内半导体材料领域的研究热点。 ZnO是宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度Eg=337eV，激子束缚能约为60meV，有望替代 GaN材料，在发光和敏感器件的生产中得到应用。目前，世界范围内的一些研究小组已丌展 了利用一维ZnO纳米线组装场效
4、应器件的初步研究，但结果中仍存在不少问题，亟待进一步 分析研究。 二纳米线的优点 ZnO纳米带、纳米棒、纳米线等一维纳米ZnO已经成功被应用于场效应晶体管。在Si02栅极 绝缘层沉积并用电子束刻蚀出Au的源电极和漏电极经过充分分散的ZnO纳米线分布于两极 之间，Si02栅极绝缘层下面是高度掺杂的si层，作为晶体管的栅极。通过控制栅极的电压， 进而可以控制电流从源电极流向漏电极。ZnO纳米线FET具有很出色的的性能，凭借着性能 的优势ZnO纳米线FET很有可能替代传统的硅MOSFET，使集成电路的尺寸朝着更小的方向 发展，ZnO纳米线FET有可能会成为下一代集成电路晶体管。 ZnO纳米结构具有多
5、样化，有纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米梳、纳米弓、纳米弹 簧等新型结构，并且在纳米光电器件、压电器件、气敏传感器等领域得到广泛应用。 三纳米线的研究 近来，世界范围内对ZnO纳米材料的制备和特性的研究非常深入，许多研究小组采用各种制 备方法制备了不同外观形貌的ZnO材料。为ZnO$0作不同的器件提供了良好的理论基础。 zLWang等以znO、Sn02和石墨作为原料，采用自组装的方法生长TZnO纳米线阵列，反应过 程中，通过用石墨从Sn02中还原出来的sn原子作为催化剂生长出ZnO纳米线。纳米线主要 是0001方向生长，其他方向的都被抑制。放射状的纳米线形成的花和采用公共轴地纳米 线丛林形
6、成。sn原子周围在ZnO纳米线的快速生长形成了纳米花。纳米结构的研究揭示了他 的潜在的生长机制，对推动纳米范围的合成有重要的意思。 M.C.Jcong等人通过MOCVD法制备了As掺杂的ZnO纳米线。他们发现As掺杂的ZnO纳米线可通 过生长后的热处理过程在GaAs衬底上制备出来，为P-ZnO纳米线的制备各提供了一种可行的 制各方法。实验还发现，通过选用不同的工作压力、衬底温度、生长时间等条件，可对ZnO 纳米线的尺寸进行调控。 Y.W.Heo等采用有催化剂的分子束外延的方法，有选择性的生长出了ZnO纳米棒(线)。因为 低温分子束环境是需要被鉴定的，所以ZnO成核和生长只是在沉积的金属催化剂上
7、。但是位 置是确定的，通过这种方法生长的单晶ZnO纳米棒能达至l5nm。对纳米线的生长达到了精确 的控制。 由此可知，随着半导体光电器件的集成化和微型化，ZnO半导体纳米线在微电子器件方面的 研究和应用将越来越深入，但目前zno半导体纳米材料在器件方面的研究和应用仍存在以下 几个问题： 四纳米线的缺点 1单根ZnO纳米线的制备非常容易受到制备条件的影响，制备单晶性好、结构均匀 的ZnO纳米线是制备ZnO半导体纳米器件的前提。 2ZnO纳米线场效应晶体管的制备工艺十分严格，组装方法很难达到规格，还不能 广泛应用在实践中。 3目前，ZnO纳米线场效应晶体管的研究和组装还只停留在实验室阶段，很少大批
8、 量的应用在生产实践中。 4很多研究还只是停留在基础研究阶段，对ZnO材料应用及器件制备工艺的研究很 少。 五ZnO纳米线生长机理 在我们洗好的Si片上，采用热蒸发法镀上一层Au层，起到催化的作用，ZnO纳米线的生长机 理可以应用气液一固(Vapor1iquidSolid，VLS)晶体生长理论所解释，它的制备过程 可以分为如下几个阶段：(1)首先ZnO在中央高温区被C粉被还原成Zn，获得Zn蒸汽，同时C 粉被氧化为CO和C02(Vapor)，同时，处于样品下游较低温区的Si衬底，其表面的Au镀层由 于表面张力和原子迁移已经收缩为Au小液滴(Liquid)；(2)Zn蒸汽被载气Ar携带至si衬底
9、处， 与衬底表面的金催化剂颗粒反应形成Zn-Au合金；(3)当ZnAu合金中的Zn的溶解度达到饱 和时Zn从合金中析出，Zn的活性根强，又和CO、O反应形成ZnO纳米线(Solid)。图2-5是 ZnO纳米线生长示意图。 在ZnO纳米线的生长过程中，C粉和Au催化颗粒的作用非常重要。C粉的还原作用大大降低了 ZnO纳米线生长温度，提供了充足的zn原子。如果在裸si片应用同样的生长过程沉积ZnO纳 米线，会发现并没有ZnO的沉积物，说明了ZnO纳米线的生长对催化剂有选择性和金镀层的 催化作用。而通过控制和改变镀层Au的厚度可以控制和改变催化剂颗粒的大小，从而控 制和改变ZnO纳米线的尺寸。 六Z
10、nO纳米线场效应晶体管的制备 下面谈谈采用静电探针和原子力探针技术，将单根ZnO纳米线，搭接在不同的金属沟道两端， 组装出了最基本的半导体ZnO纳米线绝缘栅场效应管。利用不同条件下，半导体纳米线与金 属沟道的接触特性和电子输运理论，对ZnO纳米线场效应管的IV特性进行了理论分析和讨论。 1.基底的制备 清洗的目的是去掉Si片表面的油渍和表面杂质，避免杂质及缺陷对器件性质的影响，使Si 片的表面达到光亮平滑。设备和试剂有超声清洗机、电吹风、脱脂棉、滤纸、镊子、烧杯、 超纯水、无水乙醇、丙酮等。将Si片切割成lcm x lcm见方的矩形小块，首先用丙酮清洗， 丙酮的剂量以高过烧杯中Si片为宜，超声
11、清洗振荡15分钟，用于除去Sj片表面的油渍，完 成后倒出丙酮；加入超纯水稍做清洗，加入超纯水继续超声振荡10分钟，去除Si片表Ini的 杂质和脏物，超声后倒出超纯水；加入乙醇，继续振荡15分钟用于去除si片表面的水。 清洗过程结束。取出Si片吹干，表面达到光洁平滑备用。 2热氧化生长Si02层 将Si片清洗好后，首先要在其表面生长一层Si02，它在Si片表面形成了一层保护层，具有 良好的化学稳定性和电绝缘性。制备Si02的方法有很多，其中主要有热氧化法、化学气相 淀积法、热分解法、等离子氧化法等。在这些方法中，热氧化法形成的Si02质量最好，而 且具有很高的重复性和化学稳定性。而热氧化法还包括
12、干氧氧化、湿氧氧化、水蒸气氧化 法等。水蒸气氧化法的氧化速率高，但生成的二氧化硅(Si02)结构疏松，缺陷较多，含水 量大，掩蔽能力差。而湿法氧化生长速率较快，生成的二氧化硅膜质量好于水蒸气氧化， 但相比与干氧氧化法质量略差。干氧氧化法虽然氧化速度慢， 氧化温度高，但该法制备的氧化层结构致密、均匀性和重复性好、对杂质扩散的掩蔽能力 强。由于本次实验对二氧化硅层的屏蔽和绝缘能力要求较高，所以采用干氧氧化法。该过 程应用的设备为管式炉。 3蒸镀金属膜 采用真空镀膜法束进行催化剂的准备工作。真空镀膜又叫热蒸发法镀膜，它是指在真空系 统中，通过给金属加热，使金属原子获得足够的能量，脱离金属表面的束缚成
13、为蒸气原子， 在其运动轨迹中遇到基片，就会在基片上沉积一层金属薄膜。 4.沟道的制备 利用蒸镀的方法，在热氧化生长Si02层后，我们将不同直径的细线或者头发直接在Si02层 上，进行下一步。蒸镀金属膜。这样就能直接形成绝缘性良好的沟道。 5纳米线的分散 将单根ZnO纳米线搭建在两个金属电极上，有两种方法。一种是用刀片将ZnO纳米线团簇从 基片上轻轻的刮下，将其放在称量瓶中，装入无水乙醇超声振荡15分钟。用吸管将振荡后 的溶液滴加在一干净的Si片上，待乙醇挥发后，分散好的单根纳米线就淀积在新的Si片上； 另一种是，在CCD的光学显微镜下，将刮下的ZnO纳米线团簇轻轻分散，利用范德瓦尔斯力， 用捻
14、的非常细的棉签将单根ZnO纳米线挑起，轻搭在对称的我们制作好的沟道的两端。此工 序十分精细，动作要细微，屏住呼吸，避免吹跑纳米线。 6电极的制备及组装 首先，用探针除去纳米线周围的金属，只保留一小部分的金属作为电极(防止金属周围的杂 质，改变载流子特性)。两个对称的金电极作为场效应管的源极和漏级，Si衬底作为栅极， 用HF酸除去热氧化好的Si02背面上的Si02，使Si充分暴露出来，再用银导电胶连接抛光铜 线做成接触电极一栅极。制备的晶体管有两种，如图 七ZnO纳米线场效应管IV特性测试 如图37所示。可看出，IV特性曲线类似单个PN结的整流特一件曲线。其正向开启电压约 为24V，电压大于24V后，电流迅速增加。反向偏压下，具有较明显的反向截止特性，当反 向电压增加到-30V时，电流才开始出现，但电流增加幅度较弱。Harnack等人已研究过ZnO 纳米线自身的整流特性，他们认为因ZnO面在纳米线C轴方向的周期排布，形成了Zn一0偶 极面，偶极面之间Zn-O原子由于电荷相反，可造成一定的势垒梯度，导致传输电子形成的 电流沿C轴方向并不对称，ZnO纳米线就表现出类似PN结的IV整流特性。
