[发明专利]一种制备硅纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及低维纳米材料制备领域，特别是涉及一种以纳米线为掩膜通过刻蚀技术制备硅纳米线的方法。

背景技术

半导体纳米材料及其相关器件已经成为物理、化学、生物以及材料科学领域的一个研究热点。迄今为止，人们已经制备出多种半导体纳米材料，并利用“自下而上”的组装手段制备了多种纳米电子和光电子器件，包括场效应管、单电子器件、异质结发光二极管、单纳米线激光器等。

硅是目前最重要的半导体材料，而且硅在自然界中广泛存在，丰度是29.5％，仅次于氧居于第二位。以硅材料为基础的微电子工艺几乎占整个微电子领域的95％以上，可见其在半导体工业中的重要地位。随着纳米材料的广泛研究和应用，硅纳米材料自然而然成为人们的一个主要研究点。目前已经报道有多种生长硅纳米线的方法，主要包括：催化反应、激光烧蚀法(LCG)、化学气相沉积法(CVD)等。这些方法普遍存在生长条件要求高，如需要气相生长源、催化剂、高温条件等，并且生长时间较长等缺陷。除此之外还有利用紫外光刻、电子束曝光以及电化学腐蚀等技术制备硅纳米线的方法，但他们同样也有技术复杂、制备过程耗时较长等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单的、电学性能可控制的硅纳米线的制备方法。

本发明所提供的制备硅纳米线的方法，包括如下步骤：

1)将掩膜纳米线分散在硅衬底上；

2)以所述掩膜纳米线为掩膜干法刻蚀所述硅衬底，刻蚀掉掩膜纳米线以外的硅衬底部分，得到硅纳米线。

其中，优选的，硅衬底为SOI硅片。步骤1)将掩膜纳米线分散在硅衬底上采用如下过程进行：将SOI硅片经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经过piranha溶液处理95℃水浴30分钟，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI硅片，使其分散开。

步骤2)干法刻蚀是采用诱导耦合等离子刻蚀的方法进行的。具体条件如下：以SF₆气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量为20sccm，刻蚀功率为100W。

在本发明中，选用不同尺寸的掩膜纳米线可制备得到不同尺寸的硅纳米线，满足不同的要求，通常的，所用掩膜纳米线的直径为150～200nm，长度超过10μm。可以作为掩膜的纳米线有多种，如ZnO纳米线、GaN纳米线、CdS纳米线等。

更具体的，制备硅纳米线的过程如下：

a)将掩膜纳米线超声分散到乙醇中，从而形成纳米线的悬浮液；

b)将SOI衬底准备好，并经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经过piranha溶液处理95℃水浴30分钟，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI衬底表面，使其分散开；

c)采用诱导耦合等离子(inductively coupled plasma，ICP)刻蚀的方法，刻蚀掉掩膜纳米线以外的顶层硅，刻蚀条件：以SF₆气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量约为20sccm，刻蚀功率为100W，刻蚀时间2分钟；

d)用丙酮、无水乙醇、piranha溶液清洗样品，去除光刻胶和掩膜纳米线，从而在SOI衬底上得到所述硅纳米线。

本发明采用纳米线作为掩膜，并结合ICP干法刻蚀手段，可以获得尺寸和电学性能可控制的硅纳米线，该方法操作简单、速度快、可靠，不需要采取通常的气体生长源、催化剂、高温生长炉等。并且，本发明方法制备的硅纳米线可以很方便的应用于制备硅纳米器件，例如，直接在制备过程中所形成的方块图形上沉积金属电极，即能够得到硅纳米线场效应晶体管。本发明方法适合于制备各种硅纳米线器件，以及其他半导体纳米材料与硅相结合的器件，在发展新型纳米光电器件、实现与Si微电子集成等方面将具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为刻蚀得到的硅纳米线的场发射扫描电镜照片。

图2为本发明利用ZnO纳米线作为掩膜刻蚀硅纳米线场效应管的流程示意图。

图3a为硅纳米线场效应晶体管的源-漏电流电压关系(I_DS-V_DS)测量曲线。

图3b为硅纳米线场效应晶体管的源-漏电流和栅极电压关系(I_DS-V_G)测量曲线。

具体实施方式

实施例1、制备硅纳米线

利用ZnO纳米线为掩膜刻蚀硅纳米线包括如下步骤：

1)将ZnO纳米线(直径约150～200nm，长度超过10μm)放置在小离心管中，滴入适量无水乙醇，然后放置在超声浴槽中进行超声处理，使得纳米线分散到乙醇溶液中，从而形成ZnO纳米线的悬浮液；