專利名稱：一種制備P型Si₃N₄納米線場效應(yīng)管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備P型Si3N4納米線場效應(yīng)管的方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
哈佛大學(xué)科學(xué)家Lieber教授認(rèn)為“一維體系是可用于電子有效傳播及光激發(fā)的 最小維度結(jié)構(gòu)，因此可能成為實現(xiàn)納米器件集成與功能的關(guān)鍵”。所以基于一維納米結(jié)構(gòu)的 器件的研發(fā)已成為全球科技的研究熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。場效應(yīng)晶體管，由于其在微電子工業(yè)中的 重要性，又成為研究一維納米結(jié)構(gòu)電輸運(yùn)性能的主要器件之一，因為它的納米結(jié)構(gòu)賦予了 其場效應(yīng)晶體管更為優(yōu)異的性能。低維Si3N4材料具有重量輕、強(qiáng)度高、熱沖擊和抗氧化能力良好的特點(diǎn)，因而在很 多的工業(yè)領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用，同時它也是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料( 5. ;3eV)，所以一 維Si3N4納米材料的研究受到普遍關(guān)注。眾所周知，在半導(dǎo)體中有選擇性的摻雜各種元素對 于調(diào)控其電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性質(zhì)是一種有效的方法，這對半導(dǎo)體的實際應(yīng)用是至關(guān)重要 的作用。比如Lee等人測試了摻硼納米硅線的電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)硅線摻硼后電導(dǎo)性有了很大 的提高。Mimakata等人通過對Si3N4單晶體進(jìn)行Al摻雜，發(fā)現(xiàn)可將其能帶從5. 3eV降低到 2. 4eV0據(jù)文獻(xiàn)報道，沒有摻雜的Si3N4的電阻非常大，一般只能用作絕緣介質(zhì)材料，而本 發(fā)明通過原位摻雜Al，大大降低了 Si3N4納米線的電阻值，提高了其輸電性能，并實現(xiàn)了 P型 Si3N4納米線場效應(yīng)管的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備基于Si3N4納米線的P型場效應(yīng)管的 新方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該P(yáng)型Si3N4納米線場效應(yīng)管的制 備方法包括以下具體步驟(1)聚硅氮烷和硝酸鋁的混合物熱交聯(lián)固化和粉碎；(2)將粉碎得到的粉末置于Al2O3坩堝的底部，在其上方放置C(碳)基板；(3)將Al2O3坩堝置于氣氛燒結(jié)爐中，在N2氣氛保護(hù)下于1200 1550°C范圍內(nèi)進(jìn) 行高溫?zé)峤猓? 120min ；(4)隨爐冷卻至室溫，由此可在C基板上得到原位摻雜Al的Si3N4納米線；(5)將得到的原位摻雜Al的Si3N4納米線分散在乙醇溶液里，將此懸浮液旋涂在 有氧化層的硅片上，采用光刻-蒸鍍-剝離工藝在Si3N4納米線兩端分別制作源電極和漏電 極，硅襯底作背柵極。所述步驟⑴中，聚硅氮烷和硝酸鋁的混合物熱交聯(lián)在氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行，工藝 為260°C熱解保溫30 120min，保護(hù)氣體為Ar或N2，然后球磨粉碎。所述步驟(1)中，硝酸鋁含量是聚硅氮烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0. 01% 10%。
所述步驟(3)中，所采用的氣氛燒結(jié)爐為石墨電阻氣氛燒結(jié)爐。所述步驟(5)中，所采用的硅片為N型或P型硅片，氧化層厚度為IOOnm 800nm， 源、漏電極為Ti/Au或Ni/Au或Au或Pt。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于沒有摻雜的Si3N4的電阻非常大，一般用作絕緣介質(zhì)材料，本發(fā)明通過原位摻雜 Al，大大降低了 Si3N4納米線的電阻值，提高了其輸電性能，并實現(xiàn)了 P型Si3N4納米線場效 應(yīng)管的制備。


圖1為本發(fā)明所制得的Si3N4場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一所制得的單晶Si3N4納米線的掃描電鏡(SEM)圖；圖3為本發(fā)明實施例一所制得的單晶Si3N4納米線的Raman散射圖；圖4為本發(fā)明實施例一所制得的單晶Si3N4納米線的能譜(EDS)圖；圖5為本發(fā)明實施例一所制得的單晶Si3N4納米線的高分辨透射電鏡(HTEM)圖；圖6為本發(fā)明實施例一所制得的基于單根Si3N4納米線的場效應(yīng)管的掃描電鏡 (SEM)圖；圖7為本發(fā)明實施例一所制得的場效應(yīng)管在不同的柵電壓(Ve)下源漏電流和源 漏電壓(Ids-Vds)曲線圖；圖8為本發(fā)明實施例一所制得的場效應(yīng)管在源漏電壓為30V的情況下源漏電流和 柵電壓(Ids-Vc)曲線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實施例一初始原料選取聚硅氮烷和占其0. 5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸鋁混合均勻后，在隊氣氛保 護(hù)下于260°C保溫30min進(jìn)行熱交聯(lián)固化。將固化得到的固體裝入尼龍樹脂球磨罐中，球磨 粉碎成粉末。裁取20X6X4mm(長X寬X厚)C基板，傾斜置于氧化鋁坩堝中，并放在石 墨電阻氣氛燒結(jié)爐中。氣氛爐先抽真空至10 20 ，再充入高純N2氣(99. 99%)，直至壓 力為一個大氣壓( 0. IlMpa)，此后壓力恒定。然后以30°C /min的速率從室溫快速升溫 至1350°C。在1350°C下保溫lOmin，然后隨爐冷卻。在C基板上生長的Si3N4低維納米結(jié) 構(gòu)的SEM、Raman、EDS和高分辨透射電鏡如圖2 5所示，表明所制備的納米結(jié)構(gòu)為摻Al的 Si3N4單晶。將得到的原位摻雜Al的Si3N4納米線分散在乙醇溶液里，將此懸浮液旋涂在有 300nm氧化層的N型硅片上，采用光刻-蒸鍍-剝離工藝在Si3N4納米線兩端分別制作Ni/ Au(10/200nm)源電極和漏電極，并以硅襯底作背柵極，所制得的基于單根Si3N4納米線的場 效應(yīng)管的掃描電鏡(SEM)圖如圖6所示。所制得的場效應(yīng)管在不同的柵電壓(Ve)下源漏 電流和源漏電壓(Ids-Vds)曲線如圖7所示；制得的場效應(yīng)管在源漏電壓為30V的情況下源 漏電流和柵電壓(Ilis-Ve)曲線如圖8所示，圖7和圖8均表明所制得的場效應(yīng)管的源漏電 流隨著柵電壓的增加而降低，為P型場效應(yīng)管。
權(quán)利要求
1.一種制備基于Si3N4納米線的P型場效應(yīng)管的新方法，其包括以下具體步驟(1)有機(jī)前驅(qū)體聚硅氮烷與一定量的硝酸鋁混合均勻后在保護(hù)氣氛隊或Ar氣氣氛下， 于260°C進(jìn)行低溫交聯(lián)固化，得到非晶態(tài)固體；(2)將非晶態(tài)固體在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨粉碎；(3)將粉碎得到的粉末置于Al2O3坩堝的底部，在其上方放置C基板；(4)將Al2O3坩堝置于氣氛燒結(jié)爐中，在N2氣氛保護(hù)下于1200 1550°C范圍內(nèi)進(jìn)行高 溫?zé)峤?，保? 120min ；(5)隨爐冷卻至室溫，由此可在C基板上得到原位摻雜Al的Si3N4納米線；(6)將得到的原位摻雜Al的Si3N4納米線分散在乙醇溶液里，將此懸浮液旋涂在有氧 化層的硅片上，采用光刻-蒸鍍一剝離工藝在Si3N4納米線兩端分別制作源電極和漏電極， 并以硅襯底作背柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Si3N4納米線的P型場效應(yīng)管的方法，其特征在于所述 步驟(1)中使用的硝酸鋁含量是聚硅氮烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.01% 10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Si3N4納米線的P型場效應(yīng)管的方法，其特征在于所述 步驟(6)中所采用的硅片為N型或P型硅片，氧化層厚度為IOOnm 800nm，源電極(漏電 極)為 Ti/Au 或 Ni/Au 或 Au 或 Pt。
全文摘要
一種制備基于Si3N4納米線的P型場效應(yīng)管的新方法，其包括以下具體步驟(1)有機(jī)前驅(qū)體聚硅氮烷與一定量的硝酸鋁混合均勻后在保護(hù)氣氛N2或Ar氣氣氛下，于260℃進(jìn)行低溫交聯(lián)固化，得到非晶態(tài)固體，然后球磨粉碎；(2)將粉碎得到的粉末置于Al2O3坩堝的底部，并在上方放置C基板；(3)將Al2O3坩堝置于氣氛燒結(jié)爐中，在N2氣氛保護(hù)下于1200～1550℃范圍內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)峤?，保?～120min；(4)隨爐冷卻至室溫，由此可在C基板上得到原位摻雜Al的Si3N4納米線；(5)將得到的原位摻雜Al的Si3N4納米線分散在乙醇溶液里，將此懸浮液旋涂在有氧化層的硅片上，采用光刻一蒸鍍一剝離工藝在Si3N4納米線兩端分別制作源電極和漏電極，并以硅襯底作背柵極。沒有摻雜的Si3N4的電阻非常大，一般用作絕緣介質(zhì)材料，本發(fā)明通過原位摻雜Al，大大降低了Si3N4納米線的電阻值，提高了其輸電性能，并實現(xiàn)了P型Si3N4納米線場效應(yīng)管的制備。
文檔編號H01L21/336GK102148161SQ20111002084
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者張新霓, 陳友強(qiáng) 申請人:青島大學(xué)