基于MEMS工艺制作的硅纳米线及其电学性质
硅基mems制造技术
硅基MEMS制造技术一、概述硅基MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）制造技术是一种在硅基底片上制造微小机械系统的技术。
它结合了集成电路制造技术和微机械加工技术，能够实现微小机械元件和电子元件的集成，具有广泛的应用前景。
二、硅基MEMS制造工艺流程硅基MEMS的制造过程通常包括以下几个步骤：1. 底片准备首先需要准备高质量的硅晶片底片，通常使用晶向为<100>或<111>的硅晶片。
底片的表面需要进行清洗和平整处理，以确保后续工艺的可靠性。
2. 晶圆制备将准备好的硅晶片切割成圆片，通常采用直径为4英寸或6英寸的晶圆。
切割后的晶圆表面需要进行化学和机械抛光，以去除表面缺陷和残留污染物。
3. 电子器件制造在晶圆上使用光刻工艺制造出电子器件的结构。
通过光刻、蒸发、离子注入等工艺步骤，实现电子器件的制造和烘烤。
4. MEMS器件制造在晶圆上制造MEMS器件的结构。
常用的MEMS制造技术包括悬梁结构制作、电极制作、传感器元件制作等。
这些工艺步骤通常需要使用光刻、溅射、湿法腐蚀等工艺方法。
5. 封装封装涂覆将制造好的MEMS器件进行封装和涂覆保护层。
封装通常包括芯片粘接、封装介质注入、压力测试等步骤。
涂覆保护层可以保护MEMS器件免受环境中的灰尘和湿气的侵蚀。
6. 性能测试与封装对制造好的MEMS器件进行性能测试，包括静态测试和动态测试。
在测试合格后，将其封装到具有保护功能的封装载体中。
三、硅基MEMS制造技术的应用1. 惯性传感器硅基MEMS制造技术被广泛应用于惯性传感器领域。
通过制造微小的加速度计和陀螺仪等传感器，可以实现对物体姿态、加速度等参数的测量。
惯性传感器广泛应用于航空航天、汽车、手机等领域。
2. 压力传感器利用硅基MEMS制造技术制作的压力传感器具有高灵敏度、良好的线性度和稳定性。
压力传感器常用于医疗、汽车、工业等领域的气压测量和控制。
纳米硅材料的光电特性研究
纳米硅材料的光电特性研究随着科学技术的不断进步，纳米材料的研究日益受到人们的关注。
其中，纳米硅材料作为一种重要的纳米材料，具有独特的光电特性，引起了广泛的研究兴趣。
本文将着重探讨纳米硅材料的光电特性以及在光电器件中的应用。
首先，我们来了解一下纳米硅材料的基本特性。
纳米硅是由纳米晶和非晶硅组成的一种特殊材料，具有较大的比表面积和尺寸效应。
在纳米硅中，由于其尺寸处于纳米级别，表面原子和体相原子之间的表面能导致许多新的物理、化学和电学特性的出现。
这些特性主要包括量子尺寸效应、能带结构的改变、高等离子体效应等。
其次，纳米硅材料在光电特性方面表现出许多独特的性质。
首先是光学特性。
由于纳米硅的尺寸较小，光子在纳米硅中会受到量子限制，导致纳米硅的光学特性与宏观材料有很大的差异。
例如，纳米硅材料在可见光区域表现出较高的光吸收能力，这使得其在光电器件中成为一个理想的光吸收材料。
其次是电子特性。
纳米硅材料的电子输运性质受到界面态的影响较大，导致电子传输路径的改变。
这一特性使得纳米硅材料在电子器件中的应用具有更高的效率和更低的能耗。
纳米硅材料的光电特性研究主要集中在两个方面：一是对其光学特性的研究，二是对其电子输运性质的研究。
在光学特性方面，研究人员通过调控纳米硅的尺寸、形状和结构等参数来改变其光学性质。
例如，研究人员发现纳米硅材料的吸收性能和发射性能与其颗粒大小和表面状态有很大关系。
通过优化这些参数，可以实现对光学特性的调控，进而提高光电器件的性能。
在电子输运性质方面，研究人员主要关注纳米硅材料的能带结构以及载流子的输运动力学过程。
通过研究纳米硅材料的能带结构，可以了解其电子输运的机制和规律。
同时，研究人员还发现纳米硅材料的电子输运受到声子散射、杂质散射和界面态散射等因素的影响。
通过改变纳米硅材料的生长条件和控制其表面状态，可以减小这些散射过程，从而提高纳米硅的电子导电性能。
除了理论研究，纳米硅材料的光电特性研究还包括对其在光电器件中的应用。
硅纳米线径向p-i-n结电输运特性研究
硅纳米线径向p-i-n结电输运特性研究在光伏太阳能电池中，对于提高载流子的收集效率和光转换效率，硅纳米线径向p-i-n结是一种非常有潜力的结构。
然而，迄今为止，论文中报道的本征层厚度均小于50 nm，在此厚度下，本征层作为载流子主要收集区域的作用并未凸现出来。
在本文中，采取浓度为1016~1020 /cm3的杂质掺杂，以增厚的本征层（150 nm）为前提，利用泊松方程得到硅纳米线径向p（核区）-i（夹层）-n（壳层）结不同区域的电场及电势分布。
计算结果显示，p区和n区的电场分布是不均匀的，且随着本征层半径的增大，电场逐渐降低。
对于核区半径为50 nm的p-i-n结，当杂质浓度低于1017 /cm3时，核区被完全耗尽。
随着杂质掺杂浓度的增加，耗尽层厚度逐渐降低，本征区载流子的漂移速度逐渐增大并趋于饱和。
从电场强度、耗尽层厚度、载流子漂移速度三方面得到杂质最佳掺杂浓度为1018 /cm3。
通过比较本征层载流子的渡越时间和寿命，确定了材料允许的最大缺陷浓度。
关键词：径向p-i-n结，电场强度，耗尽层，漂移速度，最佳掺杂浓度第一章绪论1.1 引言目前，基于径向纳米线独特的光、电学性质，径向纳米线太阳能电池的高效光管理研究已经成为普遍重视的课题[1-6]。
相比于传统的平面pn结器件，径向纳米线阵列可以使光的吸收过程和载流子的分离过程相互独立，有利于实现低质量材料的应用，降低成本。
并且，在光学结构（阵列周期、直径、形状等）优化的情况下[7-9]，纳米线阵列表现出较高的光管理能力，如较高的抗反射性。
纳米线阵列优异的光吸收特性已经被实验所证明[10,11]。
然而，在纳米线生长过程中，由于重n/p型的掺杂、催化剂（Au）的使用，掺杂区产生了大量的复合中心，载流子的收集效率仍然较低。
其解决办法之一为在pn结中引入本征层，使载流子的收集区域从p/n区转移到本征区。
虽然有论文[12-14]对径向纳米线p-i-n结的性能进行了分析，但由于本征层较薄（<50 nm），对于载流子的收集其并没有起到很好的作用。
硅纳米线的分子动力学模拟
硅纳米线的分子动力学模拟硅纳米线是一种非常重要的纳米材料，在纳米科技领域中有着广泛的应用，如电子学、光电子学和生物传感器等。
因此，研究硅纳米线的结构、性质和动力学行为对于深入理解其应用和生物效应具有重要意义。
本文将主要介绍硅纳米线的分子动力学模拟。
背景分子动力学模拟是一种计算方法，通过在计算机上模拟物质微观结构和运动，以研究它们的宏观性质。
分子动力学模拟在物理、化学、生物、材料科学等领域中已经广泛应用。
与实验相比，分子动力学模拟有如下的优势：1.可以控制条件。
实验状态受到许多限制，例如温度、压力、物质的纯度等，而分子动力学模拟可以在任何条件下进行，使得研究更加灵活和可控。
2.可以对分子的微观结构进行分析。
实验通常只能从宏观上观察样品的性质，而分子动力学模拟可以提供大量的微观信息，例如原子的位置、速度和能量等。
硅纳米线是由硅原子组成的一维纳米材料，在实验中通常是通过化学气相沉积法或物理气相沉积法制备。
考虑到硅纳米线的材料的难以提供充足的理论分析，分子动力学模拟成为了研究硅纳米线的重要工具之一。
模拟方法硅纳米线的分子动力学模拟需要考虑到许多因素，包括原子的相互作用、表面张力和应力等。
通常情况下，硅纳米线的模拟可以使用经典分子动力学来进行。
这个方法模拟所有原子之前的相互作用，包括键的形成、角度的变化和键长变化，通过功率法和NVD算法来计算。
在模拟之前，需要设定一定的模拟条件，如系统容积、温度、压力等。
硅纳米线通常在稳态条件下进行模拟，这意味着它的结构、性质和动力学行为不随时间变化。
在实际操作中，容器的边界是需要进行周期性的边界化，边界的作用是保证在模拟中的原子的对称性。
从头开始模拟需要大量的计算时间，所以在实际操作中使用了一些现成的模拟软件，例如LAMMPS 和GROMACS等，可以充分利用并行计算加速模拟。
这样就可以在较短时间内得到可靠的模拟结果。
结果与讨论分子动力学模拟的结果包括多个方面的内容，包括坐标和速度的变化、原子间的相互作用、能量、自由能和动力学性质等。
硅纳米线研究进展概述
影 响， 硅纳米线的拉曼峰值相对单 晶硅有红移 ， 同时呈 现 出明显
的不对称 。Ｒ ｎ ｐｎ ｎ ｏｇ— ｉ Ｗａｇ等 比较 了不 同直径硅 纳米 线的 ｇ 拉曼特征后发现随着硅纳米线直径 的减 小 ， 拉曼 峰移 向低频带 ，
并且发生 了低频 不对称 宽化 。激光 辐射发 热 、 压应 力 和声子 限 制效应都能 使拉 曼峰频 移。Ｍ． ． ｏ ｓ ｎｉｏｉ Ｊ Ｋ ｎｔ ｔ ｖ ａ ｎ ｃ等 研究 了硅 纳米线 的量子限 制效应 与非谐 性之 间的关 系 ， 现用激 光加 热 发 硅纳米线阵列 的部分 区域 ， 会导致 一阶拉曼峰发 生位移 和加宽 ，
第４ ０卷第 ８期
２１ ０ ２年 ４月
广
州
化
工
Ｖｏ ． １４０ Ｎｏ． ８ Ａｐ ｌ ２ ２ ｉ ｒ ． ０１
Ｇｕ ｎ ｚ ｏ ｈ ｍｉａ ｎ ｕ ｔ ａ ｇ ｈ ｕ Ｃ ｅ ｃ ｌＩ ｄ ｓｒ ｙ
硅 纳 米 线研 究 进 展概 述 术
郑红梅 顾 家祯 袁志 山 ， ，
１ ４
广
州
化
工
２１ ０ ２年 ４月
中含有该金属元素 ， 导致 纳米 线不 纯。
除 了受 硅 纳 米 线 结 构 的影 响 ， 纳 米 线 的 电学 特 性 也 取 决 硅
２ 拉 曼 特 征
受 到脆 弱 的结 构 形 态 、 子 限 制 效 应 、 面 氧 化 层 和 加 热 的 声 表
于其化学成分 。裴立宅等 发现对硅纳米线进行掺杂或减小硅 纳米线的直径可提 高载流 子浓度 及迁移 率 、 场发射 和 电子输 运
性能 。Ｐｎ ｉ 等” ｉ Ｘ ｅ 引发 现掺杂 物在径 向分布不 均匀 ， 取决 于 ｇ 这 纳米线直径。Ｃ ｎ ａｅＫ．Ｃ ａ ａｄｃ ｈｎ等 对 刚制备 出的纳 米线进 行 锂化。锂化前 ， 新的纳米线 的电阻 为 ２ ｉ， ５ｋ） 电阻率 为 ０ ０ ・ ． ２ｎ ｃ 锂化之后电阻为 ８Ｍ ｔ电阻率为 ３ｎ ・ ｍ， ｍ， ｆ， ｃ 电子输送特 性发 生巨大变化。ｚ Ｙ Ｚ ａｇ等 研究发现 了硅纳米线 掺杂 状态 ．一 ｈｎ 和表面悬挂键 之间一 种新 的物理耦 合关 系 ， 而 打开新 的机 遇 从 来发展纳米 自旋电子学 。
纳米材料电学性质的研究
纳米材料电学性质的研究摘要：纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当，电子不再能够视为处于外场中运动的经典粒子，其波动性在电子输运过程中得到充分体现，因此表现出特殊的电子能态特性。
文中主要对半导体的电学性质归纳总结，如自由载流子的浓度与温度的关系、掺杂对能带结构和载流子浓度的影响、半导体的电导率如何依赖于载流子的浓度和迁移率等，以及纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性等。
同时对硅纳米体系的电学性质做一些概况总结，并对其应用前景作进一步展望。
关键词：纳米材料、纳米半导体、电学性质、纳米硅体系一、绪论随着纳米科技的发展，高度集成化的要求及原件和材料微小化趋势下，纳米材料无疑将成为主角。
纳米半导体更是展现出诱人的应用前景。
纳米半导体粒子的高比表面、高活性、特殊的特性等使之成为应用于传感器方面最具前途的材料。
它对温度、光、湿气等环境因素是相当敏感的。
外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化；利用其电阻的显著变化可作成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。
目前，该领域的研究现况是：(i)在纳米半导体制备方面，追求获得量大、尺寸可控、表面清洁、制备方法趋于多样化、种类和品种繁多。
(ii)在性质和微结构研究上着重探索普适规律。
(iii)研究纳米尺度复合，发展新型纳米半导体复合材料。
(iv)纳米半导体材料的光催化及光电转换研究。
二、纳米材料的电子能态特性2.1 纳米材料的电子结构纳米材料的尺寸在1nm~100nm之间，体系中只含有少数的电子，此时电子的结构与单个原子壳层结构十分类似，可以借助处理原子的电子结构模型粗略地求出。
如果将这一体系看成是一个势阱，则电子被限制在此势阱中。
显然电子可占据的能级与势阱的深度和宽度有关。
在强限制的情况下，即势阱很深时，纳米材料具有类原子的特性，可称为类原子材料。
它的基态与所包含的电子数目的奇偶性有关，从而影响到它的物理性质。
硅纳米线的制备
小组成员： 主讲人：
一、简介
纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在 100 纳米以下（纵向没有限 制）的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。典型的纳米线 的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。在电子，光电子和纳米电 子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的 添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。硅纳米线是一种 新型的一维半导体纳米材料，线体直径一般在10 nm 左右，内晶核是单晶硅，外 层有一SiO2 包覆层。
有模板的地方形成柱状结构。
PS球
银薄膜
硅基体
类似的利用多孔阳极氧化铝（AAO）模板制备了直径 8-15nm 的 SiNWs。其过程如图所示：（1）在
硅衬底上制AAO/PS 复合层，带有 10-350nm 直径孔的 AAO 层可以方便的通过阳极氧化铝来制备；（2）
聚苯乙烯（PS）层用来稳AAO 层，可通过在空气中加热到 400℃去除。（3）溅射镀银；（4）HF+H2O2 溶液中刻蚀，AAO 层被 HF 去除，因而覆盖 AAO 膜的银网直接和硅接触；由于银网的催化速度比银颗粒
具体反应式为： 阴极反应：
阳极反应：
总反应：
2.2制备原理
空位
贵金属
基体硅
反应过程如图 上所示：（1）在贵金属表面处，氧化剂被优先催化还原，产生空穴。（2）空穴通 过金属颗粒注入到与之接触的硅中。（3）在贵金属和硅接触的界面处，注入的空穴将硅氧属与硅接触的地方空穴溶度最高，腐蚀速度最快。因此，与贵金属接触的
在这个领域取得大的进展，服务我们的社会主义现代化建设！
谢谢观看！
的快，因此 AAO 孔所在处刻蚀慢，形成 SiNWs 阵列。
硅纳米线材料的制备及其性能研究
硅纳米线材料的制备及其性能研究硅纳米线是一种极小尺度的材料，具有很多独特的性质。
例如，它们具有高比表面积，优良的电子输运性能和光电转换性能等。
这些特性使得硅纳米线有广泛的应用前景，包括太阳能电池、传感器和电子器件等。
本文将就硅纳米线的制备方法及其性能研究进行分析和探讨。
一、硅纳米线的制备方法硅纳米线的制备方法有多种，其中最常见的两种是气相和液相生长法。
对于气相生长法，该方法通常使用金属催化剂在高温下制备硅纳米线。
这种方法的优点是可以制备出高质量的硅纳米线并且可以进行大规模生产。
但是，随着硅纳米线的批量增加，在金属催化剂残留的情况下，硅纳米线使用的可行性也在下降。
此外，气相法还需要复杂的实验设备和条件。
另一种常见方法是液相法，其中硅源和氧化还原光化学剂在有机溶液中使用。
反应条件相对温和，可制备出高品质和大规模的硅纳米线。
因此，液相法是更好的方法，其中最常用的方法之一是在水中使用硅源和还原剂。
但是，生长方法通常涉及到多个参数，如反应时间，反应温度和反应条件等，需要不断调整和优化。
二、硅纳米线的性能研究硅纳米线有很多特殊的性质，其中一些是由它们的形态和尺寸所决定的。
例如，硅纳米线具有高比表面积和表面反应率，这意味着它们可以用来作为传感器或催化剂等。
在太阳能电池方面，硅纳米线的有效面积比传统的硅基太阳能电池更大。
这种变化可以提高电池的能量转换效率。
此外，硅纳米线还具有优异的电子输运性能。
它们的导电特性依赖于其尺寸和形状以及其表面上的化学官能团。
在该领域进行的许多研究已经证明了硅纳米线的导电性能。
例如，在电子场中测量硅纳米线的电流-电压关系表明它们具有优异的电子输运特性。
这些成果可以使硅纳米线应用于电子器件中的大量应用性能。
在硅纳米线的光电转换方面，研究表明硅纳米线具有卓越的性能。
这些性能包括较高的光吸收和电荷分离效率。
硅纳米线的特殊形态和尺寸可以增加光吸收，而高电荷分离效率则有助于提高太阳能电池的效率。
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学
报
CH IN ESE JO U R NA L O F SEM ICO ND U CT O R S
V ol. 27 N o. 9 Sep. , 2006
基于 MEMS 工艺制作的硅纳米线及其电学性质*
刘文平
1, 2,
李
铁
1
杨
恒
1
焦继伟
1
李昕欣
1
王跃林
图 4 释放前后纳 米线 的电 学性质 变化 化 ; ( b) R -V 特性的变化
( a) I -V 特 性的 变
F ig. 4 Electr onic perfo rmance of t he w ires befo re and after released ( a) R elatio nship betw een the I - V ; ( b) Relationship betw een the R -V
第9期
刘文平等 :
基于 M EM S 工 艺制作的硅纳米线及其电学性质
1647
Hale Waihona Puke 图3宽度 120nm 纳米线的测量结果
F ig . 3
M easur ed w idth o f the 120nm nanow ir es
4
硅纳米线的电学性能
有关纳米线电学性质测试的实验在室温大气中 进行 . 测试使用的是 Cascade 12K 型探针台. 探针台 的探针压在纳米线两端的电极上 , 以此加载电压并 同时读出流过 针尖的 电流 . 其 内部电 流噪 声小 于 15f A. 纳 米 线 两 端 的 电 压 从 0 上 升 到 5V , 每 隔 50mV 取一个点, 记录下流过纳米线的电流值, 从而 得到纳米线的 I- V 曲线. 我们的测量发现 , 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, I - V 特性没有明显的改变 . 而使用缓 冲的 H F 腐蚀液在去除纳米线表面和底部的氧化层 之后 , 其电阻值有明显的改变 . 典型的结果如图 4 所 示, 释放后纳米线的电阻约为释放前的三到四倍. 图 4( b) 还揭示出释放以后的硅纳米线不再具 有线性 的I - V 特性, 其电阻随电压的改变而改变. 为探索此 种现象发生的原因, 我们开展了多个比对实验 . 实验 中发现, 释放时间( 在缓冲 H F 腐蚀液中的时间 ) 不 同, 释放后的电阻也不同 , 释放时间越长, 释放后纳 米线的电阻越大 . 导致这种变化的原因通常可以归 结为两个 : ( 1) 由于缓冲 H F 腐蚀液对 SOI 材料的 表层硅也有一定的腐蚀, 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 , 进而影响到其电阻变化. 为了研究硅纳米线表面态在空气中的变化, 我 们分别测试了纳米线释放后暴露在空气中 1h, 2h, 3 天和 1 个月左右的电学特性, 把它们做了一个比较 , 如图 5 所示. 其中 , 图 5( a) 为不同时间下的 I -V 特 性; 图 5( b) 是对数坐标下电压为 21 5V 时的电阻随 时间变化的曲线 . 从这些曲线可以看出 , 纳米线的电 阻随着暴露在空气中的时间的增加而不断增大 . 放 置一个月后样品的电阻甚至比刚释放样品时的电阻 增大了将近 10 倍. 这表明释放前或释放后硅纳米线
图1
纳米线的制作流程示意图
F ig. 1 F abricatio n pr ocess o f the silico n nano w ires
3
硅纳米线的结构形貌
完成制作后 , 利用 H IT ACH I S - 4100 型扫描电 镜对样品的形貌进行观测 , 工作电压 10kV. 图 2 为 不同尺寸的典型硅 纳米线的 SEM 照 片. 其 中图 2 ( a) 是宽度约为 70nm, 厚度约 50nm, 长度 为 20Lm 的纳 米 线; 图 2 ( b) 表 示 宽 度 约 120nm, 厚 度 约 70nm, 长度 20Lm 的样 品. 从图 2( b) 表示 的放 大 25000 倍的照片中 , 可以看出纳米线的均一性很好 . 进一步的测量 表明 , 单根 纳米 线的宽 度均 一性 在 5% 以内. 在我们的工艺过程中, 控制纳米线宽度的关键 在于氧化减薄工艺中氧化层的厚度控制. 我们采用 的多次/ 氧化 - 腐蚀 - 测量0 方法可以高精度地将表层 硅从 200nm 减薄到 50nm, 其厚度的绝对偏差可以 控制在 5nm 以内. 对于 50nm 的表 层硅厚度, 其相 对误差约为 10% . 对 7 个 120nm 宽的纳米线的测量 表明 , 我们同批次纳米线的宽度均一性可以控制在 20% 以内 , 具体实验结果如图 3 所示.
2006 中国电子学会
1646
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第 27 卷
在此基 础上光刻, 光刻图形边 缘沿硅 〈110 〉晶 向. 缓冲的 H F 腐蚀液将光刻胶的图形转移到氧化 硅上 , 再利用氧化硅 做掩膜, 采 用 25% T M AH 溶 液, 在 50 e 下 , 腐蚀掉未被保护的表层硅, 如图 1( a) 所示 . 作为一种集成电路工艺兼容的各向异性腐蚀 液, T MA H 对硅的不同晶面的腐蚀速率有很大的差 异, 其中( 111) 面由于腐蚀速率远小于其他晶向而可 认为近似出现了自停止, 形成如图所示的斜面 , 斜面 与底面的夹角是 54 1 7b. 清洗后 , 使用低压化学气相 沉积 ( L PCVD) 生长一层 Si3 N 4 , 保护已腐蚀出的硅 ( 111) 面, 并在距离该面不远 ( 略高于一般光刻机的 对准误差极限) 的地方光刻开出窗口, 用离子束刻蚀 去除 Si3 N 4 , 如图 1( b) 所示. 接下来采用稀释的 H F 腐蚀 SiO2 , 直到接近已形成的硅 ( 111) 面的上端. 由 于氮化硅在 H F 中的腐蚀速率远小于氧化硅的 , 因 此可以利用这一点对腐蚀时间进行控制, 如图 1( c) 所示 . 使用 KOH 溶液腐蚀表层硅, 同样由于各向异 性的腐蚀速率, ( 111) 面出现自停止 , 与先前的 ( 111) 面夹成横截面为等腰三角形的三棱柱, 如图 1( d) 所 示. 等腰三角形的底高为 50nm, 因此底面宽 70nm. 在热磷酸中去除所有 Si3 N 4 并氧化, 可得到更细的 纳米线, 如图 1( e) 所示. 光刻开引线孔并淀积铝, 在 纳米线两端做金属电极并合金化 , 形成良好的欧姆 接触 , 则完成了本纳米线的制作. 此种方法制作的纳 米线 , 其截面为等腰三角形, 方向沿硅 〈 110 〉 晶向. 使 用稀释的 H F 腐蚀掉纳米线表面和底部的 SiO 2 , 可 以进一步形成悬空的硅纳米线 , 如图 1( f ) 所示 .
图2
基于 M E M S 技术制得的典型纳米线的 S EM 照片
F ig. 2 T y pical SEM photos o f the silicon nano wires fabricated by M EM S techno log y
另外, 从图 2( a) 中还可以看出 , 释放后的纳米 线悬空于衬底之上 , 与两端的电极相连. 而纳米线与 电极均由同一块单晶硅加工而成 , 原本就连在一起, 不存在/ 自下而上0 方法中的金半接触等问题.
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( 1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 , 上海 200050) ( 2 中国科学院研究生院 , 北京 100039)
摘要 : 通过运用 Si3 N 4 和 SiO2 作掩膜 , 采用各向同性和各向异性腐蚀液 , 利用硅的腐蚀自停止特性 , 实现了硅梁的 纳米宽度控制 , 同时利用多次氧化在 SO I 材料上实现了纳米厚 度控制 , 最终成功批量制作了硅 纳米线 . 扫描电镜 观 测表明 , 制备的纳米线厚度和宽度都可严格控制 在 100nm 以下 , 最细 的纳米线宽 度可以达 到 20nm. 同批 样品的 宽 度变化范围在 20% 以内 . 大气中对其 电学特性测量表明 , 剥离 了表面氧化 层的纳米线 的电阻会 随放置时 间的增 长 而逐渐增大 . 进一步实验分析发现水分吸附在其 电阻变化中起了重要的作用 . 关键词 : 硅纳米线 ; M EM S 技术 ; 表面吸附 EEACC: 2550N 中图分类号 : T N303 文献标识码 : A
文 章编号 : 0253 - 4177( 2006) 09 - 1645 - 05
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引言
近年来, 硅纳米线由于其特殊的物理性质和潜 在的应用前景, 越来越受到人们的重视 . 在纳米电路 的研究中 , 硅纳米线有望成为下一代集成电路的连 [ 1] 接引线甚至是基本的器件单元 . 除此之外, 随着比 表面积的进一步增大 , 表面效应变得更加明显 . 一根 直径为 20nm 的硅纳米线, 有近 20% 的原子为表面 原子 , 因此表面吸附和表面氧化都会对硅纳米线的 电学性质造成很大的影响 [ 1] , 这使得硅纳米线有望 成为某些传感器的敏感单元[ 2] . 但是 , 目前的硅纳米线制造技术在一定程度上 阻碍了人们在硅纳米线上的研究进程. 目前制作硅 纳米线的方法主要可分为两类 : 一类是/ 自下而上0 ( bot to m - up) 方法. 例如, 采用化学气相淀积、 物理气 相淀积、 激光烧蚀或固 -液 - 固生长等方法 , 可以在催 化剂的辅助下在大面积的衬底 上随机生长出 纳米 线[ 3, 4] , 再通过光 刻或者 F IB 制作 上电极[ 5] 实 现各 种纳米器件. 其缺点是难以操作和定位 , 给大规模集 成生产带来困难 . 此外硅纳米线的纯度以及尺度的 均匀性在上述工艺中都无法得到很好的保证. 另一 [ 6, 7] 类是/ 自上而下0 ( to p - dow n) 方法 , 也即利 用类 似于传统集成电路的方法制作硅纳米线. 这种方法 是在已经准备好的材料层上, 通过光刻、 刻蚀和沉积 等方式, 直接制作出所需要的纳米结构 . 这种方法通 常需要亚微米量级的制作精确度 . 传统的加工工艺