專利名稱：一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米材料和器件技術領域，尤其涉及一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法。
背景技術：
物質(zhì)都有各自的固有頻率，一旦外界激勵信號的頻率接近其固有頻率，該物質(zhì)將產(chǎn)生共振。2007年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的AJETTL等人利用碳納米管(CNT) 制成了迄今為止世界上最小的收音機——納米收音機，該收音機由一根CNT及電極組成，可以發(fā)出MHz頻率的音頻信號，其最為顯著的特點在于將傳統(tǒng)收音機中需要獨立部件實現(xiàn)的各個功能(天線、調(diào)諧器、放大器和解調(diào)器等)全部由一根CNT實現(xiàn)，這其中就利用了當輸入信號和CNT固有頻率接近時，CNT產(chǎn)生共振的原理。壓電效應是指某些電介質(zhì)晶體在沿特定方向的壓力作用下，會在其兩端分別出現(xiàn)正負電荷分布，從而在其內(nèi)部形成電場的現(xiàn)象。壓電效應已被廣泛應用于晶體振蕩器、電聲器件、超聲波發(fā)生器等領域。選擇具有壓電效應的一維納米材料(如ZnO納米線)作為溝道，其優(yōu)勢在于一維壓電納米材料不僅和其它一維納米材料一樣能夠產(chǎn)生共振，而且由于共振時一維壓電納米材料將進行周期性振蕩，即一維壓電納米材料發(fā)生形變，振蕩形變的一維壓電納米線產(chǎn)生壓電效應，形成壓電極化電場，該電場將調(diào)節(jié)溝道自由載流子，從而代替了常規(guī)FET柵電壓的調(diào)制功能。以本征ZnO納米線為例，納米線共振壓電場效應晶體管的器件結構示意圖以及工作原理圖如圖2所示。圖2(a)為器件結構示意圖。Si襯底上生長SiO2氧化介質(zhì)；在SiO2氧化介質(zhì)上制作底層電極；將ZnO納米線(水平方向為c軸)的兩端精確組裝在底層電極上；在底層電極上制作覆蓋ZnO納米線的頂層電極；本征ZnO納米線內(nèi)存在自由電子(e_)，呈N型導電特性。圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)為器件工作原理圖。正負電極之間施加電壓，監(jiān)測流過 ZnO納米線的電流變化。ZnO納米線可以看作兩端固定的一根納米懸浮梁。當外界激勵信號頻率fo接近ZnO納米線的固有頻率時，ZnO納米線將產(chǎn)生共振，進行周期性振蕩。當ZnO納米線向下彎曲時，如圖2 (b)所示，產(chǎn)生壓電效應，在納米線伸展一側積累正電荷，而在壓縮一側出現(xiàn)等量負電荷，形成壓電極化電場。如果納米線形變情況不改變， 這些由壓電效應產(chǎn)生的壓電極化電荷是固定的，不會移動或者復合。對于N型ZnO納米線來說，納米線伸展一側的正電荷將吸附納米線內(nèi)的自由電子(e_)。當ZnO納米線形變至一定程度時，將產(chǎn)生足夠的壓電極化電荷，耗盡全部自由電子，相當于起到了常規(guī)場效應晶體管柵電極的作用，此時ZnO納米線溝道處于截止狀態(tài)。當納米線恢復平衡位置時，如圖2 (c)所示，壓電電荷消失，ZnO納米線內(nèi)的自由電子在源漏電壓的作用下定向移動，ZnO納米線溝道處于開啟狀態(tài)。
與納米線向下彎曲的情形相似，當ZnO納米線向上彎曲時，如圖2(d)所示，也會產(chǎn)生由形變導致的壓電電荷，耗盡aio納米線內(nèi)的自由電子，使得溝道截止。由此可知，當ZnO納米線向上或向下彎曲時，產(chǎn)生壓電效應，由形變導致的壓電電荷將吸附ZnO納米線內(nèi)的自由電子，使得流過ZnO納米線的電流減少或者截止。當ZnO納米線恢復平衡狀態(tài)時，壓電效應消失，流過ZnO納米線的電流恢復正常值。利用一維壓電納米材料及器件工藝，制作納米線共振壓電場效應晶體管在納米技術、傳感器、開關、機電耦合、能量轉換、自供電等領域均具有重要的研究和應用價值。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，如何利用壓電效應調(diào)制溝道自由載流子是一項具有挑戰(zhàn)性的研究工作。本發(fā)明利用一維壓電納米材料的共振原理和壓電效應，制作了納米線共振壓電場效應晶體管，利用RF激勵信號引起一維壓電納米線共振，振蕩形變的一維壓電納米線將產(chǎn)生壓電效應，形成壓電極化電場，利用該電場調(diào)制溝道自由載流子，代替常規(guī)FET柵電壓的調(diào)制功能。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法， 該方法包括步驟1 在襯底背面制作背柵電極；步驟2 在襯底正面生長氧化介質(zhì)；步驟3 在生長的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料，并轉移至襯底表面；步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7 在源漏電極間施加直流電壓并監(jiān)測電流；步驟8 將背柵電極外接至RF激勵信號源。上述方案中，所述步驟1包括采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。上述方案中，所述步驟2包括采用等離子體增強化學氣相沉積技術，在Si襯底正面生長一層S^2介質(zhì)，實現(xiàn)Si襯底與后續(xù)制作的電極之間、以及Si襯底與組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。上述方案中，所述步驟3包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在生長的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。上述方案中，所述步驟4包括將生長一維壓電ZnO納米線材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術，使一維壓電ZnO納米線材料從生長基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液，一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞，然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。上述方案中，所述步驟5包括利用納米操控平臺及技術，將一維壓電ZnO納米線材料的兩端分別精確組裝在兩個底層電極上，這兩個底層電極分別作為底層正負電極，使得組裝在這兩個底層正負電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。
上述方案中，所述步驟6包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極；頂層電極金屬、底層電極金屬與一維壓電納米材料為歐姆接觸。 上述方案中，所述步驟7包括利用引線鍵合技術，通過導線，外接至電壓信號源， 在正負電極上施加電壓，并監(jiān)測其電流變化。上述方案中，所述步驟8包括將背柵電極連接RF激勵信號源，調(diào)節(jié)RF激勵信號源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種制作納米線共振壓電場效應晶體管的方法，包括在襯底背面制作背柵電極、襯底正面生長氧化介質(zhì)、在生長的氧化介質(zhì)上制作底層電極、超聲降解一維壓電納米線材料，并轉移至襯底表面、將一維壓電納米材料精確組裝在底層正負電極之間、在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極、源漏電極間施加直流電壓并監(jiān)測電流、背柵電極外接至RF激勵信號源。本發(fā)明利用一維壓電納米線材料，經(jīng)過上述工藝流程， 調(diào)節(jié)RF激勵信號頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導致周期性振蕩形變，將激勵信號能量轉換為一維壓電納米線的能量。振蕩形變的一維壓電納米線產(chǎn)生壓電效應，形成壓電極化電場，該電場調(diào)制一維壓電納米線自由載流子，代替常規(guī) FET柵電壓的調(diào)制功能，達到了制作納米線共振壓電場效應晶體管的目的。


圖1是本發(fā)明提供的制作納米線共振壓電場效應晶體管的方法流程圖；圖2是本發(fā)明提供的利用ZnO納米線共振壓電場效應晶體管的器件結構示意圖以及工作原理圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制作納米線共振壓電場效應晶體管的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟1 在襯底背面制作背柵電極。采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。步驟2 在襯底正面生長氧化介質(zhì)。采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術，在Si襯底正面生長一層氧化介質(zhì)(如SiO2介質(zhì))，實現(xiàn)Si襯底和后續(xù)制作的電極、組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。步驟3 在生長的氧化介質(zhì)上制作底層電極。采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離等工藝，在生長的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料(如ZnO納米線)，并轉移至襯底表面。將生長一維壓電納米材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術，使一維壓電納米材料從生長基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液。一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞。然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上。利用納米操控平臺及技術， 將一維壓電納米材料的兩端分別精確組裝在兩個底層電極上，分別作為底層正負電極；使得組裝在底層正負電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極。采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離等工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極。頂層和底層電極金屬和一維壓電納米材料為歐姆接觸，提供了良好的電氣連接，同時起到了固定懸浮一維壓電納米材料的作用。步驟7 源漏電極間施加直流電壓并監(jiān)測電流。利用引線鍵合技術，通過導線，外接至電壓信號源。在正負電極上施加電壓，并監(jiān)測其電流變化。步驟8 背柵電極外接至RF激勵信號源。將背柵電極連接RF激勵信號源，調(diào)節(jié)RF 激勵信號源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，該方法包括 步驟1 在襯底背面制作背柵電極；步驟2 在襯底正面生長氧化介質(zhì)；步驟3 在生長的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料，并轉移至襯底表面；步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7 在源漏電極間施加直流電壓并監(jiān)測電流；步驟8 將背柵電極外接至RF激勵信號源。
2.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟1包括采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。
3.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟2包括采用等離子體增強化學氣相沉積技術，在Si襯底正面生長一層SW2介質(zhì)，實現(xiàn)Si襯底與后續(xù)制作的電極之間、以及Si襯底與組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。
4.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟3包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在生長的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。
5.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟4包括將生長一維壓電ZnO納米線材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術，使一維壓電ZnO納米線材料從生長基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液，一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞，然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。
6.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟5包括利用納米操控平臺及技術，將一維壓電ZnO納米線材料的兩端分別精確組裝在兩個底層電極上，這兩個底層電極分別作為底層正負電極，使得組裝在這兩個底層正負電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。
7.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟6包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極；頂層電極金屬、底層電極金屬與一維壓電納米材料為歐姆接觸。
8.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟7包括利用引線鍵合技術，通過導線，外接至電壓信號源，在正負電極上施加電壓，并監(jiān)測其電流變化。
9.根據(jù)權利要求1所述的納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，其特征在于，所述步驟8包括將背柵電極連接RF激勵信號源，調(diào)節(jié)RF激勵信號源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法，包括步驟1在襯底背面制作背柵電極；步驟2在襯底正面生長氧化介質(zhì)；步驟3在生長的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4超聲降解一維壓電納米線材料，并轉移至襯底表面；步驟5將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7在源漏電極間施加直流電壓并監(jiān)測電流；步驟8將背柵電極外接至RF激勵信號源。利用本發(fā)明，調(diào)節(jié)RF激勵信號頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導致周期性振蕩形變，將激勵信號能量轉換為一維壓電納米線的能量，達到制作納米線共振壓電場效應晶體管的目的。
文檔編號H01L41/22GK102214573SQ20101014521
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日2010年4月9日
發(fā)明者張海英, 徐靜波 申請人:中國科學院微電子研究所