基于MEMS工艺制作的硅纳米线及其电学性质分析

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：研究发现，随着硅纳米线直径的减少，其能带宽度增加。同时不同长度的硅纳米线、温度及门栅极电压等参数对硅纳米线的电子输运特性均有影响［14］。刘文平、李铁等提出一种基于MEMS技术的硅纳米线的制作工艺。对硅纳米线的电阻测试表明，表面态对硅纳米线的电学性质有着深刻影响，其中水分子的吸附是电阻增大的重要原因。经测量发现，未释放结构的硅纳米线，在高温氧化层的保护下，其电学性质非常稳定。

载流子浓度和迁移率是半导体材料最基本的电学特性。通过掺杂可以提高硅纳米线的载流子浓度。高载流子浓度除了对半导体的能带有着重要影响，而且对半导体光吸收边附近的吸收特性也有着若干重要影响，最终导致带隙随载流子浓度的变化而变化。研究发现，随着硅纳米线直径的减少，其能带宽度增加。其关系如下公式所示

其中L为硅纳米线的长度；μ为载流子迁移率；C为电容。硅纳米线的迁移率可能会随掺杂浓度的增加而减小，这可能是由于小直径的硅纳米线的散射作用增强引起的。同时热退火和表面钝化过程可以增加FET载流子迁移率。

电子输运特性是一维纳米材料尤其重要的特性之一。对硼掺杂和磷掺杂的硅纳米线进行电流—电压及门电路测量说明它们分别属于p型和n型半导体。研究结果表明，硼和磷掺杂硅纳米线可以得到高的载流子浓度，提高硅纳米线的电导率。此外，相关温度IV曲线表明，随着温度的降低其电导率减小，并证实了小直径的硅纳米线具有量子限制效应，其隧道电导率与硅纳米线的表面电子态局域密度成正比。同时不同长度的硅纳米线、温度及门栅极电压等参数对硅纳米线的电子输运特性均有影响［14］。

刘文平、李铁等提出一种基于MEMS技术的硅纳米线的制作工艺。采用SOI材料，利用硅材料自身固有特性，采取巧妙的结构设计和准确的工艺控制，制作出符合特定要求的纳米线。这种方法利用了平面工艺的批量制作优势，可以与成熟的半导体工艺相兼容，同时避免了传统自上而下方法中低效、昂贵的高精度光刻工艺。制成的硅纳米线尺度可控性强、定位性好、结构一致性好、易于实现阵列化，为一些不需要高集成度的传感器、谐振器等应用领域和纳米传热、电输运性质的基础研究提供了一种简便、有效、有参考价值的制作方法。对硅纳米线的电阻测试表明，表面态对硅纳米线的电学性质有着深刻影响，其中水分子的吸附是电阻增大的重要原因。

室温大气中进行测试使用的是Cascade 12K型探针台。经测量发现，未释放结构的硅纳米线，在高温氧化层的保护下，其电学性质非常稳定。在空气中放置一年以上，IV特性没有明显的改变。然而在使用缓冲的HF腐蚀液去除纳米线表面和底部的氧化层之后，其电阻值发生明显的改变。典型的结果如图7-9（a）所示，释放后的纳米线的电阻约为释放前的三到四倍。图7-9（b）还揭示出释放以后的硅纳米线的RV曲线不再具有线性的特性，其电阻随电压的改变而改变。

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图7-9　释放前后纳米线的电学性质变化

（a）I-V特性的变化　（b）R-V特性的变化

原因可能为：①由于缓冲HF腐蚀液对SOI材料的表层硅也有一定的腐蚀性，腐蚀液改变了纳米线的直径；②硅纳米线释放后，表面的氧化硅钝化层不复存在，在空气中其表面态的变化使其结构发生变化，进而影响到其电阻。纳米线的电阻随着暴露在空气中时间的增加而不断增大，表明释放前或释放后硅纳米线表面态的变化对电阻性能都有着非常大的影响。提示我们，如果在其表面采用钝化层如致密氧化硅或氮化硅也可能会起到同样的作用。因此在今后的实验中对表面进行钝化层生长，可以使制作出的硅纳米线性能稳定。

基于MEMS工艺制作的硅纳米线及其电学性质分析

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