增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管及其制备方法

摘要

本发明涉及增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管及其制备方法。该制备方法包括：在P+－Si衬底的正面生长栅氧介质SiO2；在P+－Si衬底的背面形成背栅电极；在P+－Si衬底的正面形成定位标记；在P+－Si衬底的正面完成氧化锌纳米线的转移和淀积；在P+－Si衬底的正面完成纳米线的定位；在P+－Si衬底的正面制作源漏电极；退火处理。本发明提供的增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管制备方法，实现了阈值电压大于零伏的增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管。

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体材料和器件领域，尤其是涉及增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

ZnO是一种II-VI族直接带隙的新型多功能化合物半导体材料，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。

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。目前，已形成多种方法用于ZnO材料的生长，并且研制出若干种类的ZnO器件及传感器，但是P型ZnO材料的生长，ZnO纳米器件的制备及应用等问题依然需要深入和系统的研究。

ZnO是目前拥有纳米结构和特性最为丰富的材料，已实现的纳米结构包括纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳、纳米管等等。其中，一维纳米线由于材料的细微化，比表面积增加，具有常规体材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，晶体质量更好，载流子的运输性能更为优越。一维纳米线不仅可以实现基本的纳米尺度元器件(如激光器、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)，而且还能用来连接各种纳米器件，可望在单一纳米线上实现具有复杂功能的电子、光子及自旋信息处理器件。

ZnO纳米线场效应晶体管(Nanowire Field-Effect Transistor，缩写NWFET)已成为国际研究的热点之一。ZnO一维纳米线作为沟道，与栅氧和栅金属可以形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，缩写MOSFET)。由于ZnO纳米线的电学性能随周围气氛中组成气体的改变而变化，比如未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有优越的敏感性，因此能够对相应气体进行检测和定量测试。这使得ZnO一维纳米线场效应晶体管可以用于气体、湿度和化学传感器、光电和紫外探测器、存储器(Memory)等应用领域。尤其是能够对有毒气体(如CO、NH3等)进行探测，通过场效应晶体管的跨导变化，即可检测出气体的组成及浓度。与常规SnO2气体传感器相比，基于ZnO纳米线场效应晶体管的气体传感器具有尺寸小，成本低，可重复利用等优点。

综上所述，ZnO纳米线场效应晶体管的研制在纳米电子学和新型纳米传感器方面具有重要的研究和应用价值，将会对国民经济的发展起到重要的推动作用。

由于本征ZnO为N型半导体，且制作的ZnO NW FET多为耗尽型器件，制约了增强型ZnO NW FET的发展。

发明内容

为了克服ZnO纳米线材料在实现基于增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管应用方面的局限性，本发明在耗尽型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管制作工艺的基础上提供了一种增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管及其制备方法。

一种增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管制备方法，其中包括：在P+-Si衬底的正面生长栅氧介质SiO₂；在P+-Si衬底的背面形成背栅电极；在P+-Si衬底的正面形成定位标记；在P+-Si衬底的正面完成氧化锌纳米线的转移和淀积；在P+-Si衬底的正面完成纳米线的定位；在P+-Si衬底的正面制作源漏电极；退火处理。

一种增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管，其中包括：栅氧介质SiO₂，生长于P+-Si器件的衬底正面；背栅电极，通过蒸发金属形成于P+-Si器件的衬底背面；定位标记，形成于P+-Si器件的衬底正面；氧化锌纳米线，放置于P+-Si器件的衬底正面；源漏电极，形成于所述P+-Si器件的衬底正面；上述工艺基础上，再进行退火处理，使得原本小于零伏的阈值电压，正向漂移，形成大于零伏的阈值电压。

本发明提供的增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管及其制备方法，实现了阈值电压大于零伏的增强型背栅ZnO NW FET。

附图说明

图1为本发明一种增强型背栅ZnO NW FET制备方法的流程示意图；

图2图1中退火处理后的ZnO NW FET器件的转移特性曲线；

图3为本发明一种增强型背栅ZnO NW FET的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明一种增强型背栅氧化锌纳米线场效应晶体管制备方法的流程示意图。该制备方法包括以下步骤：

步骤1、在P+-Si衬底的正面生长栅氧介质SiO₂。利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在P+-Si衬底的正面生长栅氧介质SiO₂，完成背栅ZnO纳米线场效应晶体管的栅氧介质的制作。

步骤2、在P+-Si衬底的背面形成背栅电极。在P+-Si衬底的背面蒸发金属，形成背栅电极。

步骤3、在P+-Si衬底的正面形成定位标记。依次在P+-Si衬底的正面进行光刻定位标记图形、蒸发金属、剥离金属，形成规则的周期性排列的十字型定位标记，为后续的纳米线定位工艺提供十字型定位标记。

步骤4、在P+-Si衬底的正面完成氧化锌纳米线的转移和淀积。将氧化锌纳米线材料浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使纳米线从生长衬底表面脱落，悬浮于异丙酮溶液；并将含有氧化锌纳米线的异丙酮溶液滴于P+-Si衬底的正面，完成氧化锌纳米线的转移和淀积。

步骤5、在P+-Si衬底的正面完成纳米线的定位。在高倍显微镜下，观察氧化锌纳米线，利用十字型定位标记，为后续光刻工艺提供氧化锌纳米线的准确位置。

步骤6、在P+-Si衬底的正面制作源漏电极。依次光刻源漏电极图形、蒸发金属、剥离金属，在P+-Si衬底的正面形成源漏电极。

步骤7、退火处理。在600℃下，退火2min，使得ZnO NW FET的阈值电压正向移动，实现大于零伏的增强型背栅ZnO NW FET。前述工艺过程按顺序执行，当在P+-Si衬底的正面制作源漏电极后，将整个wafer(晶片)进行退火，其目的在于使器件阈值电压正向漂移。

本发明所述的增强型背栅ZnO NW FET制备方法中，在ZnO NW FET的源漏电极制作后，还需进行退火处理使得ZnO NW FET器件的阈值电压向正向移动，实现大于零伏的增强型阈值电压，从而获得增强型背栅ZnO NW FET。图2为图1中退火处理后的ZnO NW FET器件的转移特性曲线，其表征ZnONW FET器件在不同栅电压作用下的源漏电流变化曲线。同时，ZnO NW FET器件的阈值电压也可由此曲线得到，从图2可以看出，当栅电压Vgs小于0V时，源漏电流Ids极小，当栅电压Vgs大于0V后，源漏电流Ids逐渐增加，可知器件的阈值电压为增强型。

图3为本发明一种增强型背栅ZnO NW FET的结构示意图。增强型背栅ZnO NW FET，包括：

栅氧介质SiO₂，生长于P+-Si衬底的正面；

背栅电极，通过蒸发金属形成于P+-Si衬底的背面；

定位标记(图3中未示出)，形成于P+-Si衬底的正面；

ZnO纳米线，根据所述定位标记，形成于P+-Si衬底的正面；

源漏电极(图3中分别为源电极、漏电极)，形成于所述P+-Si衬底的正面。

上述工艺基础上，再进行退火处理，使得原本小于零伏的阈值电压，正向漂移，形成大于零伏的阈值电压。该实施例中的增强型背栅ZnO NW FET可以采用上述增强型背栅ZnO NW FET制备方法得到。

本发明提供的增强型背栅ZnO NW FET制备方法，实现了阈值电压大于零伏的增强型背栅ZnO NW FET。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。