CN102214577B

CN102214577B - 一种制作纳米开关的方法

Info

Publication number: CN102214577B
Application number: CN 201010145217
Authority: CN
Inventors: 徐静波; 张海英
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: CN102214577A

Abstract

本发明公开了一种制作纳米开关的方法，该方法包括：步骤1：在衬底背面制作背栅电极；步骤2：在衬底正面生长氧化介质；步骤3：在生长的氧化介质上制作底层电极；步骤4：超声降解一维压电纳米线材料，并转移至衬底表面；步骤5：将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上；步骤6：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极；步骤7：将源电极接地，漏电极接负载，并在源漏电极间施加直流电压；步骤8：将背栅电极外接至RF激励信号源。本发明利用一维纳米材料的共振原理、纳米压电器件特性及开关特性，经过上述工艺流程，达到了制作纳米开关的目的。

Description

一种制作纳米开关的方法

技术领域

本发明涉及压电纳米材料、器件及其开关特性应用技术领域，尤其涉及一种制作纳米开关的方法。本发明利用一维纳米材料的共振原理、纳米压电器件特性及开关特性，经过上述工艺流程，达到了实现纳米开关的目的。

背景技术

物质都有各自的固有频率，一旦外界激励信号的频率接近其固有频率，该物质将产生共振。2007年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的A.ZETTL等人利用碳纳米管(CNT)制成了迄今为止世界上最小的收音机——纳米收音机，该收音机由一根CNT及电极组成，可以发出MHz频率的音频信号，其最为显著的特点在于：将传统收音机中需要独立部件实现的各个功能(天线、调谐器、放大器和解调器等)全部由一根CNT实现，这其中就利用了当输入信号和CNT固有频率接近时，CNT产生共振的原理。

压电效应是指某些电介质晶体在沿特定方向的压力作用下，会在其两端分别出现正负电荷分布，从而在其内部形成电场的现象。压电效应已被广泛应用于晶体振荡器、电声器件、超声波发生器等领域。

选择具有压电效应的一维纳米材料(如ZnO纳米线)作为沟道，其优势在于：一维压电纳米材料不仅和其它一维纳米材料一样能够产生共振，而且由于共振时一维压电纳米材料将进行周期性振荡，即一维压电纳米材料发生形变，振荡形变的一维压电纳米线产生压电效应，形成压电极化电场，该电场将调节沟道自由载流子，从而代替了常规FET栅电压的调制功能。

以本征ZnO纳米线为例，纳米线共振压电场效应晶体管的器件结构示意图以及工作原理图如图2所示。

图2(a)为器件结构示意图。Si衬底上生长SiO₂氧化介质；在SiO₂氧化介质上制作底层电极；将ZnO纳米线(水平方向为c轴)的两端精确组装在底层电极上；在底层电极上制作覆盖ZnO纳米线的顶层电极；本征ZnO纳米线内存在自由电子(e-)，呈N型导电特性。

图2(b)、图2(c)和图2(d)为器件工作原理图。正负电极之间施加电压，监测流过ZnO纳米线的电流变化。ZnO纳米线可以看作两端固定的一根纳米悬浮梁。当外界激励信号频率f₀接近ZnO纳米线的固有频率时，ZnO纳米线将产生共振，进行周期性振荡。

当ZnO纳米线向下弯曲时，如图2(b)所示，产生压电效应，在纳米线伸展一侧积累正电荷，而在压缩一侧出现等量负电荷，形成压电极化电场。如果纳米线形变情况不改变，这些由压电效应产生的压电极化电荷是固定的，不会移动或者复合。对于N型ZnO纳米线来说，纳米线伸展一侧的正电荷将吸附纳米线内的自由电子(e-)。当ZnO纳米线形变至一定程度时，将产生足够的压电极化电荷，耗尽全部自由电子，相当于起到了常规场效应晶体管栅电极的作用，此时ZnO纳米线沟道处于截止状态。

当纳米线恢复平衡位置时，如图2(c)所示，压电电荷消失，ZnO纳米线内的自由电子在源漏电压的作用下定向移动，ZnO纳米线沟道处于开启状态。

与纳米线向下弯曲的情形相似，当ZnO纳米线向上弯曲时，如图2(d)所示，也会产生由形变导致的压电电荷，耗尽ZnO纳米线内的自由电子，使得沟道截止。

由此可知，当ZnO纳米线向上或向下弯曲时，产生压电效应，由形变导致的压电电荷将吸附ZnO纳米线内的自由电子，使得流过ZnO纳米线的电流减少或者截止。当ZnO纳米线恢复平衡状态时，压电效应消失，流过ZnO纳米线的电流恢复正常值。

对于纳米线而言，在一个振荡周期内，发生向上和向下的两次形变。如果形变程度足够大，形成的压电极化电荷能够耗尽N型ZnO纳米线内的自由电子，沟道将由开启转变为截止状态。由于纳米线的振荡频率与外加激励频率f₀相近，纳米线共振压电场效应晶体管沟道开关频率可达到2f₀，有望实现纳米压电快速开关。

利用一维压电纳米材料及器件工艺，制作纳米开关在纳米技术、开关机电耦合、能量转换等领域均具有重要的研究和应用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，如何利用压电效应调制沟道自由载流子，制作纳米开关是一项具有挑战性的研究工作。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制作纳米开关的方法，该方法包括：

步骤1：在衬底背面制作背栅电极；

步骤2：在衬底正面生长氧化介质；

步骤3：在生长的氧化介质上制作底层电极；

步骤4：超声降解一维压电纳米线材料，并转移至衬底表面；

步骤5：将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上；

步骤6：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极；

步骤7：将源电极接地，漏电极接负载，并在源漏电极间施加直流电压；

步骤8：将背栅电极外接至RF激励信号源。

上述方案中，所述步骤1包括：采用微电子制作工艺，在Si衬底背面蒸发一层金属，作为背栅电极。

上述方案中，所述步骤2包括：采用等离子体增强化学气相沉积技术，在Si衬底正面生长一层SiO₂介质，实现Si衬底与后续制作的电极之间，以及Si衬底与组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

上述方案中，所述步骤3包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

上述方案中，所述步骤4包括：将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液；一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕，然后将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面。

上述方案中，所述步骤5包括：利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，这两个底层电极分别作为底层正负电极，使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

上述方案中，所述步骤6包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极，作为顶层电极，顶层电极金属、底层电极金属与一维压电纳米材料为欧姆接触。

上述方案中，所述步骤7包括：利用引线键合技术，分别将源电极接地，漏电极接负载，同时在源漏电极间施加直流电压。

上述方案中，所述步骤8包括：将背栅电极连接RF激励信号源，调节RF激励信号源频率接近一维压电纳米线固有频率，使得一维压电纳米线发生共振，导致振荡形变，产生压电效应。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种纳米开关的制作方法，包括在衬底背面制作背栅电极、衬底正面生长氧化介质、在生长的氧化介质上制作底层电极、超声降解一维压电纳米线材料，并转移至衬底表面、将一维压电纳米材料精确组装在底层正负电极之间、在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极、源电极接地，漏电极接负载，并在源漏电极间施加直流电压、背栅电极外接至RF激励信号源。本发明利用一维纳米材料的共振原理、纳米压电器件特性及开关特性，经过上述工艺流程，调节RF激励信号频率接近一维压电纳米线固有频率，使得一维压电纳米线发生共振，导致周期性振荡形变，将激励信号能量转换为一维压电纳米线的能量。振荡形变的一维压电纳米线产生压电效应，形成压电极化电场，该电场调制一维压电纳米线自由载流子，代替常规FET栅电压的调制功能。由于纳米线的振荡频率与外加激励频率f₀相近，纳米线共振压电场效应晶体管沟道开关频率可达到2f₀，达到了实现纳米开关的目的。

附图说明

图1是本发明提供的制作纳米开关的方法流程图；

图2是本发明提供的ZnO纳米线开关的器件结构示意图以及工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用一维压电纳米材料的共振原理和压电效应，实现了纳米开关。利用RF激励信号引起一维压电纳米线共振，振荡形变的一维压电纳米线将产生压电效应，形成压电极化电场，利用该电场调制沟道自由载流子，代替常规FET栅电压的调制功能。对于纳米线而言，在一个振荡周期内，发生向上和向下的两次形变。如果形变程度足够大，形成的压电极化电荷能够耗尽N型ZnO纳米线内的自由电子，沟道将由开启转变为截止状态。由于纳米线的振荡频率与外加激励频率f₀相近，纳米线共振压电场效应晶体管沟道开关频率可达到2f₀，有望实现纳米压电快速开关。

如图1所示，图1是本发明提供的制作纳米开关的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：在衬底背面制作背栅电极。采用微电子制作工艺，在Si衬底背面蒸发一层金属，作为背栅电极。

步骤2：在衬底正面生长氧化介质。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在Si衬底正面生长一层氧化介质(如SiO2介质)，实现Si衬底和后续制作的电极、组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

步骤3：在生长的氧化介质上制作底层电极。采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离等工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

步骤4：超声降解一维压电纳米线材料(如ZnO纳米线)，并转移至衬底表面。将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液。一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕。然后将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面。

步骤5：将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上。利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，分别作为底层正负电极；使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

步骤6：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极。采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离等工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极，作为顶层电极。顶层和底层电极金属和一维压电纳米材料为欧姆接触，提供了良好的电气连接，同时起到了固定悬浮一维压电纳米材料的作用。

步骤7：将源电极接地，漏电极接负载，并在源漏电极间施加直流电压。利用引线键合技术，分别将源电极接地，漏电极接负载。同时在源漏电极间施加直流电压。

步骤8：将背栅电极外接至RF激励信号源。将背栅电极连接RF激励信号源，调节RF激励信号源频率接近一维压电纳米线固有频率，使得一维压电纳米线发生共振，导致振荡形变，产生压电效应。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制作纳米开关的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在衬底背面制作背栅电极；

步骤2：在衬底正面生长氧化介质；

步骤3：在生长的氧化介质上制作底层电极；

步骤4：超声降解一维压电纳米线材料，并转移至衬底表面；具体包括：将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液；一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕，然后将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面；

步骤5：将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上；

步骤8：将背栅电极外接至RF激励信号源。

2.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤1包括：采用微电子制作工艺，在Si衬底背面蒸发一层金属，作为背栅电极。

3.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤2包括：采用等离子体增强化学气相沉积技术，在Si衬底正面生长一层SiO₂介质，实现Si衬底与后续制作的电极之间，以及Si衬底与组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

4.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤3包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

5.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤5包括：利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，这两个底层电极分别作为底层正负电极，使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

6.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤6包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极，作为顶层电极，顶层电极金属、底层电极金属与一维压电纳米材料为欧姆接触。

7.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤7包括：利用引线键合技术，分别将源电极接地，漏电极接负载，同时在源漏电极间施加直流电压。

8.根据权利要求1所述的制作纳米开关的方法，其特征在于，所述步骤8包括：将背栅电极连接RF激励信号源，调节RF激励信号源频率接近一维压电纳米线固有频率，使得一维压电纳米线发生共振，导致振荡形变，产生压电效应。