[发明专利]一种制备悬浮ZnO纳米线场效应晶体管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体器件技术领域，特别是指一种制备悬浮ZnO 纳米线场效应晶体管的方法。

背景技术

一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度，长度上为宏观尺度的新型 材料，早在1970年法国科学家就首次研制出直径为7nm的碳纤维。在过 去十年中，由于在纳电子以及纳米光电子方面具有巨大应用前景，半导体 准一维纳米线已经受到了国际上广泛的关注。1991年日本用高分辨率电子 显微镜发现了碳纳米管，推动了整个一维纳米材料的研究。近十年来，人 们利用各种方法又陆续合成了多种一维纳米材料，如：纳米管、纳米棒、 纳米线、半导体量子线、纳米带和纳米线阵列等。其制备的成功不仅为探 索小尺度量子效应，以及分子水平纳米光电子器件等基础物理研究提供了 可贵的研究对象，也预示着巨大的应用前景和经济利益，必将给传输材料、 微电子、医药等领域带来革命性的改变，并会影响到人们的日常生活。

2006年，哈佛大学的向杰等人制备了Ge/Si core-shell纳米线，发现由 于能带结构的影响，会在中心的Ge线中产生受限的一维空穴气，从而可 以实现很高的迁移率以及高性能的晶体管，证明了纳米线作为高性能电子 器件的可行性，推动了国际上纳米电子器件的大力发展。

在各种一维纳米结构中，被称为“第三代半导体材料”的ZnO逐渐得到 了人们的重视，ZnO是一种II-VI族直接带隙的新型多功能半导体材料， 被称为第三代宽禁带半导体材料。ZnO晶体为纤锌矿结构，禁带宽度约为 3.37eV，激子束缚能约为60meV。ZnO具备半导体、光电、压电、热电、 气敏和透明导电等特性，在传感、声、光、电等诸多领域有着广阔的潜在 应用价值。与其他半导体材料如SiC、InP等相比，ZnO有许多优异性质， 如ZnO本身无毒对人身体无害，在可见光透明并可以吸收紫外线，具有较 大的机电耦合系数，对某些气体能在其表面吸附解析等等。根据微观观察 结果，纳米线ZnO晶体具有良好的晶形，截面为完整的六角型，在器件制 造过程中可以避免所谓的微管缺陷。纯净的纳米线ZnO作为一种直接带隙 宽禁带N型半导体，不需要掺杂即可与P型半导体构成P-N-P结构；而且， 纳米线ZnO(1～100nm)由于颗粒尺寸细微化，表现出与常规材料不同的奇 异特性，如表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应等.这些性质使得ZnO 纳米线在很多领域得到广泛的应用，如在激光器、传感器、场效应晶体管、 发光二极管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元等都 具有重要的应用。近年来，对ZnO材料和器件的研究受到广泛关注。研究 范围涵盖了ZnO体单晶、薄膜、量子线、量子点等材料的生长和特性以及 ZnO传感器、透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、探 测器及发光二极管(Light-emitting Diodes，缩写LED)等器件的制备和研 究方面。

在各种由ZnO纳米线构成的一维纳米线器件中，ZnO纳米线场效应 晶体管由于其独特的性能，近几年来受到了国际上广泛的关注。ZnO纳米 线场效应晶体管(ZnO NW FET)是一种利用ZnO纳米线作为沟道来实现 的场效应晶体管，其特征是采用新型MOSFET结构，ZnO纳米线与栅氧 和金属形成金属-氧化物-半导体结构。这种结构的场效应晶体管在压电 效应，光学效应，电磁，化学传感等方面均有潜在的广泛应用。在这其中， 由于ZnO纳米线具有很高的表面积/体积比，制作成功的ZnO纳米线场效 应晶体管还可被广泛用于气体探测上，特别是有害气体的探测，如CO、 NH3等，通过监测场效应晶体管跨导的变化可以检测出化学气体的组成及 浓度，并且，检测完成后可通过控制器件栅压的变化来排出有毒气体元素， 具有可恢复化学传感器的功能，发展前景远大。

与目前常规的SnO₂传感器相比，ZnO纳米线场效应晶体管用作化学 传感器时具有尺寸小，成本低，可恢复性等一系列优点，而且，SnO₂传感 器的检测原理是通过监测气体在多孔气敏元件上时电阻的变化来实现探 测功能，这种类型的传感器最适合检测低浓度有毒气体，在气体浓度较高 并不适合；而ZnO纳米线场效应晶体管是采用监测器件电导的变化来监 测有毒气体，这使得在高浓度下ZnO纳米线场效应晶体管成为一种极佳 的选择，具有成为下一代化学传感器的潜质。有鉴与此，进行ZnO纳米线 场效应晶体管的研制工作是非常有必要的。