纳米线场效应管

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=3．37eV，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。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。

2．ZnO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

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(Vapor．1iquid—Solid，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衬底处，与衬底表面的金催化剂颗粒反应形成Zn-Au合金；(3)当Zn—Au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．ZnO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。