CN102148161B - 一种制备P型Si3N4纳米线场效应管的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备基于Si3N4纳米线的P型场效应管的新方法，其包括以下具体步骤：(1)有机前驱体聚硅氮烷与一定量的硝酸铝混合均匀后在保护气氛N2或Ar气气氛下，于260℃进行低温交联固化，得到非晶态固体，然后球磨粉碎；(2)将粉碎得到的粉末置于Al2O3坩埚的底部，并在上方放置C基板；(3)将Al2O3坩埚置于气氛烧结炉中，在N2气氛保护下于1200～1550℃范围内进行高温热解，保温5～120min；(4)随炉冷却至室温，由此可在C基板上得到原位掺杂Al的Si3N4纳米线；(5)将得到的原位掺杂Al的Si3N4纳米线分散在乙醇溶液里，将此悬浮液旋涂在有氧化层的硅片上，采用光刻一蒸镀一剥离工艺在Si3N4纳米线两端分别制作源电极和漏电极，并以硅衬底作背栅极。没有掺杂的Si3N4的电阻非常大，一般用作绝缘介质材料，本发明通过原位掺杂Al，大大降低了Si3N4纳米线的电阻值，提高了其输电性能，并实现了P型Si3N4纳米线场效应管的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备P型Si3N4纳米线场效应管的方法，属于材料制备技术领域。
技术背景
哈佛大学科学家Lieber教授认为：“一维体系是可用于电子有效传播及光激发的最小维度结构，因此可能成为实现纳米器件集成与功能的关键”。所以基于一维纳米结构的器件的研发已成为全球科技的研究热点和焦点。场效应晶体管，由于其在微电子工业中的重要性，又成为研究一维纳米结构电输运性能的主要器件之一，因为它的纳米结构赋予了其场效应晶体管更为优异的性能。
低维Si3N4材料具有重量轻、强度高、热冲击和抗氧化能力良好的特点，因而在很多的工业领域有着很广泛的应用，同时它也是一种宽带隙半导体材料(～5.3eV)，所以一维Si3N4纳米材料的研究受到普遍关注。众所周知，在半导体中有选择性的掺杂各种元素对于调控其电学、光学以及磁学性质是一种有效的方法，这对半导体的实际应用是至关重要的作用。比如Lee等人测试了掺硼纳米硅线的电学性能，发现硅线掺硼后电导性有了很大的提高。Munakata等人通过对Si3N4单晶体进行Al掺杂，发现可将其能带从5.3eV降低到2.4eV。
据文献报道，没有掺杂的Si3N4的电阻非常大，一般只能用作绝缘介质材料，而本发明通过原位掺杂Al，大大降低了Si3N4纳米线的电阻值，提高了其输电性能，并实现了P型Si3N4纳米线场效应管的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备基于Si3N4纳米线的P型场效应管的新方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该P型Si3N4纳米线场效应管的制备方法包括以下具体步骤：
(1)聚硅氮烷和硝酸铝的混合物热交联固化和粉碎；
(2)将粉碎得到的粉末置于Al2O3坩埚的底部，在其上方放置C(碳)基板；
(3)将Al2O3坩埚置于气氛烧结炉中，在N2气氛保护下于1200～1550℃范围内进行高温热解，保温5～120min；
(4)随炉冷却至室温，由此可在C基板上得到原位掺杂Al的Si3N4纳米线；
(5)将得到的原位掺杂Al的Si3N4纳米线分散在乙醇溶液里，将此悬浮液旋涂在有氧化层的硅片上，采用光刻-蒸镀-剥离工艺在Si3N4纳米线两端分别制作源电极和漏电极，硅衬底作背栅极。
所述步骤(1)中，聚硅氮烷和硝酸铝的混合物热交联在气氛烧结炉中进行，工艺为260℃热解保温30～120min，保护气体为Ar或N2，然后球磨粉碎。
所述步骤(1)中，硝酸铝含量是聚硅氮烷质量分数的0.01％～10％。
所述步骤(3)中，所采用的气氛烧结炉为石墨电阻气氛烧结炉。
所述步骤(5)中，所采用的硅片为N型或P型硅片，氧化层厚度为100nm～800nm，源、漏电极为Ti/Au或Ni/Au或Au或Pt。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
没有掺杂的Si3N4的电阻非常大，一般用作绝缘介质材料，本发明通过原位掺杂Al，大大降低了Si3N4纳米线的电阻值，提高了其输电性能，并实现了P型Si3N4纳米线场效应管的制备。
附图说明
图1为本发明所制得的Si3N4场效应管的结构示意图；
图2为本发明实施例一所制得的单晶Si3N4纳米线的扫描电镜(SEM)图；
图3为本发明实施例一所制得的单晶Si3N4纳米线的Raman散射图；
图4为本发明实施例一所制得的单晶Si3N4纳米线的能谱(EDS)图；
图5为本发明实施例一所制得的单晶Si3N4纳米线的高分辨透射电镜(HTEM)图；
图6为本发明实施例一所制得的基于单根Si3N4纳米线的场效应管的扫描电镜(SEM)图；
图7为本发明实施例一所制得的场效应管在不同的栅电压(VG)下源漏电流和源漏电压(IDS-VDS)曲线图；
图8为本发明实施例一所制得的场效应管在源漏电压为30V的情况下源漏电流和栅电压(IDS-VG)曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例一
初始原料选取聚硅氮烷和占其0.5％质量分数的硝酸铝混合均匀后，在N2气氛保护下于260℃保温30min进行热交联固化。将固化得到的固体装入尼龙树脂球磨罐中，球磨粉碎成粉末。裁取20×6×4mm(长×宽×厚)C基板，倾斜置于氧化铝坩埚中，并放在石墨电阻气氛烧结炉中。气氛炉先抽真空至10～20Pa，再充入高纯N2气(99.99％)，直至压力为一个大气压(～0.11Mpa)，此后压力恒定。然后以30℃/min的速率从室温快速升温至1350℃。在1350℃下保温10min，然后随炉冷却。在C基板上生长的Si3N4低维纳米结构的SEM、Raman、EDS和高分辨透射电镜如图2～5所示，表明所制备的纳米结构为掺A1的Si3N4单晶。将得到的原位掺杂Al的Si3N4纳米线分散在乙醇溶液里，将此悬浮液旋涂在有300nm氧化层的N型硅片上，采用光刻-蒸镀-剥离工艺在Si3N4纳米线两端分别制作Ni/Au(10/200nm)源电极和漏电极，并以硅衬底作背栅极，所制得的基于单根Si3N4纳米线的场效应管的扫描电镜(SEM)图如图6所示。所制得的场效应管在不同的栅电压(VG)下源漏电流和源漏电压(IDS-VDS)曲线如图7所示；制得的场效应管在源漏电压为30V的情况下源漏电流和栅电压(IDS-VG)曲线如图8所示，图7和图8均表明所制得的场效应管的源漏电流随着栅电压的增加而降低，为P型场效应管。
Claims (3)
1.一种制备基于Si3N4纳米线的P型场效应管的方法，其包括以下具体步骤：
(1)有机前驱体聚硅氮烷与一定量的硝酸铝混合均匀后在保护气氛N2或Ar气气氛下，于260℃进行低温交联固化，得到非晶态固体；
(2)将非晶态固体在球磨机中进行球磨粉碎；
(3)将粉碎得到的粉末置于Al2O3坩埚的底部，在其上方放置C基板；
(4)将Al2O3坩埚置于气氛烧结炉中，在N2气氛保护下于1200～1550℃范围内进行高温热解，保温5～120min；
(5)随炉冷却至室温，由此可在C基板上得到掺杂Al的α相Si3N4纳米线；
(6)将得到的原位掺杂Al的Si3N4纳米线分散在乙醇溶液里，将此悬浮液旋涂在有氧化层的硅片上，采用光刻-蒸镀-剥离工艺在Si3N4纳米线两端分别制作源电极和漏电极，并以硅衬底作背栅极。
2.根据权利要求1所述的制备Si3N4纳米线的P型场效应管的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中使用的硝酸铝含量是聚硅氮烷质量分数的0.01％～10％。
3.根据权利要求1所述的制备Si3N4纳米线的P型场效应管的方法，其特征在于：
所述步骤(6)中所采用的硅片为N型或P型硅片，氧化层厚度为100nm～800nm，源电极和漏电极为Ti/Au或Ni/Au或Au或Pt。
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| 郭钢锋等.有机前驱体热解法合成单晶氮化硅纳米线.《稀有金属材料与工程》.2009,第38卷967-969. * |
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