[發明專利]一種納米線共振壓電場效應晶體管的制作方法

有效

• 申請號: 201010145211.6
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN102214573A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 徐靜波;張海英
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L41/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發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，該物質將產生共振。2007年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的A.ZETTL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，可以發出MHz頻率的音頻信號，其最為顯著的特點在于：將傳統收音機中需要獨立部件實現的各個功能(天線、調諧器、放大器和解調器等)全部由一根CNT實現，這其中就利用了當輸入信號和CNT固有頻率接近時，CNT產生共振的原理。

壓電效應是指某些電介質晶體在沿特定方向的壓力作用下，會在其兩端分別出現正負電荷分布，從而在其內部形成電場的現象。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生形變，振蕩形變的一維壓電納米線產生壓電效應，形成壓電極化電場，該電場將調節溝道自由載流子，從而代替了常規FET柵電壓的調制功能。

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；在SiO₂氧化介質上制作底層電極；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f₀接近ZnO納米線的固有頻率時，ZnO納米線將產生共振，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的自由電子(e-)。當ZnO納米線形變至一定程度時，將產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。

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。

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，也會產生由形變導致的壓電電荷，耗盡ZnO納米線內的自由電子，使得溝道截止。

由此可知，當ZnO納米線向上或向下彎曲時，產生壓電效應，由形變導致的壓電電荷將吸附ZnO納米線內的自由電子，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。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，如何利用壓電效應調制溝道自由載流子是一項具有挑戰性的研究工作。本發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生壓電效應，形成壓電極化電場，利用該電場調制溝道自由載流子，代替常規FET柵電壓的調制功能。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發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；

步驟3：在生長的氧化介質上制作底層電極；

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測電流；

步驟8：將背柵電極外接至RF激勵信號源。