硅納米線在微電子方面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用

硅納米線在微電子方面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用一、微電子學(xué)簡介集成電路是將各種電路器件集成于半導(dǎo)體表面而形成的電路。近年來集成電路幾乎已成為所有電子產(chǎn)品的心臟。目前科技的飛速進(jìn)展與集成電路的發(fā)展應(yīng)用,有密不可分的關(guān)系。山微電子科學(xué);支術(shù)進(jìn)展是人類科技進(jìn)步史的奇跡。自20世紀(jì)70年代以來，集成電路一直遵循摩爾定律。即每兩年集成度增加2倍，成本降低一半。今后集成電路的技術(shù)進(jìn)步，仍將繼續(xù)遵循摩爾定律。并且硅仍然是制造電路的主要材料。近年來，微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向由微電子學(xué)向納電子學(xué)轉(zhuǎn)變，納電子學(xué)有兩重意義，一是在現(xiàn)有的電子器件基礎(chǔ)上把微電子器件尺寸推進(jìn)到納米范疇，另一是發(fā)展新原理的納米器件硅納米線作為一維硅納米材料的典型代表，除具有半導(dǎo)體所具有的特殊性質(zhì),還顯示出不同于體硅材料的場發(fā)射、熱導(dǎo)率及可見光致發(fā)光等物理性質(zhì)，在納米電子器件、光電子器件以及新能源等方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。更重要的是，由于硅納米線與現(xiàn)有硅技術(shù)具有極好的兼容性進(jìn)而具有極大的市場應(yīng)用潛力；因此，硅納米線極有可能成為一維納米材料領(lǐng)域的一種極有應(yīng)用潛力的新材料，對未來電子器件及整個(gè)電子領(lǐng)域的發(fā)展將會產(chǎn)生不可估量的影響。二、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)【結(jié)構(gòu)】1晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體硅屬于IV族元素，每個(gè)原子最外層有4個(gè)價(jià)電子，用電子軌道表示是S2P2O當(dāng)一個(gè)原子與其它原子形成化學(xué)鍵進(jìn)而形成晶體的時(shí)候，S軌道和P軌道的電子會形成雜化軌道。每個(gè)原子與形成鍵的四個(gè)鄰近原子構(gòu)成一個(gè)正四面體，鍵與鍵之間的夾角是109.47。。無數(shù)個(gè)原子結(jié)合在一起的時(shí)候，形成金剛石結(jié)構(gòu)的晶體。2能帶結(jié)構(gòu)一個(gè)晶體的電學(xué)性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)大部分由其能帶結(jié)構(gòu)決定。因此要想知道一個(gè)半導(dǎo)體的特性我們必須對它的能帶結(jié)構(gòu)有所了解。體硅為間接帶隙半導(dǎo)體，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)硅納米線為直接帶隙半導(dǎo)體，并且在G點(diǎn)（000點(diǎn)）出現(xiàn)導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值（能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示）。硅納米線變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體主要是由于有量子限制效應(yīng)的作用使價(jià)帶能量減小，導(dǎo)帶能量增大，從而帶隙增加。硅納米線的禁帶寬度為2.28eV,和體硅的禁帶寬度0.67eV相比，硅納米線的禁帶寬度比體硅的禁帶寬度要大很多，由于直接帶隙半導(dǎo)體和寬禁帶半導(dǎo)體在發(fā)光器件方面有著很好的應(yīng)用，所以納米硅材料是一種很有前途的新型光電材料。

圖1能帶結(jié)構(gòu)圖3微觀形貌結(jié)構(gòu)3.1圖1能帶結(jié)構(gòu)圖使用具有緊密排列的六角形納米孔道的氧化鋁作為模板，先在模板的六角形孔道中電化學(xué)沉積金粒子，使得金粒子保持著模板孔道的尺寸和形貌，然后在金粒子的催化下高溫分解硅烷生長硅納米線，成功地合成了單晶硅納米線(SiNWs)的有序陣列(如圖2所示)，納米線的直徑與模板孔道的直徑一致。(a)表血圖像(b)橫截面圖像圖2孔洞直徑為38nm的納米孔道氧化鋁(NCA)模板輔助生

長的有序SNVs陣列的掃描電鏡圖像［均(a)表血圖像(b)橫截面圖像3.2熱蒸發(fā)法形貌結(jié)構(gòu)在1350°C溫度下熱蒸發(fā)Si0粉末，使產(chǎn)物沉積在位于890?1320°C范圍內(nèi)不同溫度區(qū)域的長為85mm的硅片上，制備出了硅納米線、章魚形、釘形、蝌蚪形及鏈形等不同形狀的硅納米結(jié)構(gòu)（見圖3）。圖3在其中一個(gè)溫區(qū)制備的硅納米材料的掃描電鏡圖像［冽

（a）大量暗灰色有序排列的末端為圓柱狀的棒狀結(jié)構(gòu)：（b）構(gòu)成（a）

的章魚狀結(jié)構(gòu)：（c）構(gòu)成（a）的釘狀結(jié)構(gòu)：（d）構(gòu)成（a）的線狀結(jié)構(gòu)【特性】1載流子濃度與遷移率載流子濃度和遷移率是半導(dǎo)體材料最基本的電學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)隨著硅納米線直徑的減少其能帶寬度增加，直徑為7nm的硅納米線的能帶寬度為1.1eV,而直徑降至1.3nm時(shí)其能帶寬度增至3.5eV。研究本征及摻雜硅納米線的載流子的遷移率。圖4為硅納米線的I-V曲線,其中圖4（a）中的1?7分別為柵極電壓為-30,-20,-10,0,10,20和30V時(shí)對應(yīng)的I-V曲線，圖4（b）中的1?8分別為柵極電壓為-20,-10,-5,0,5,10,15和20V時(shí)對應(yīng)的I-V曲線。通過以下公式可以估算出硅納米線的載流子遷移率，dl/dVg二口二（C/I?）V其中：口為載流子遷移率，c為電容，L為硅納米線的長度。電容C可以通過公式Cx2n作oL/屜嘩）得出，其中￡為介電常數(shù)，h為硅納米線中硅氧化物層的厚度,r為硅納米線的半徑。從圖中可估算出本征及硼摻雜硅納米線的斜率分別為2.13X10"11和9.54X10-9,所以本征及硼摻雜硅納米線的載流子遷移率分別為5.9X10-3

cm2/(V-S)和3.17/cm2/(V?S),后者的數(shù)值與摻雜濃度為1020cm3的體硅的載流子遷移率相近。載流子遷移率是電子穿越材料容易程度的量度標(biāo)準(zhǔn)，載流子遷移率的增加會提高晶體管的工作頻率，證明硅納米線可以作為構(gòu)造單元用于納米電子器件中。圖4(a)直徑70nm的本征硅納米線的I-V曲線(b)直徑150nm的摻雜硅納米線的I-V曲線2場發(fā)射特性場發(fā)射是利用肖特基效應(yīng)，將指向?qū)w表面的強(qiáng)電場作用于導(dǎo)體的表面，使其表面勢壘降低、變窄，當(dāng)勢壘的寬度窄到可以與電子波長相比擬時(shí)，電子的隧道效應(yīng)開始起作用，部分高能電子就可順利地穿透表面勢壘進(jìn)入真空。評價(jià)材料的場發(fā)射特性的性能指標(biāo)主要包括閥值場強(qiáng)、場發(fā)射電流密度、場發(fā)射電流穩(wěn)定性、場增強(qiáng)因子等指標(biāo)。場發(fā)射材料在真空微電子和場發(fā)射顯示領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，對硅納米線的場發(fā)射研究對于開發(fā)新一代場發(fā)射材料有著十分重要的意義。為了研究尺寸對硅納米線的場發(fā)射性能的影響，對不同直徑的硅納米線進(jìn)行了場發(fā)射表征(圖5)。平均直徑分別為10nm(直徑分布7?12nm)、20nm(直徑分布18?22nm)及30nm(直徑分布27?32nm)的硅納米線的閥值場強(qiáng)分別為4.5、13及23V/umo以上結(jié)果說明硅納米線的直徑對其場發(fā)射特性具有很重要的影響，隨著硅納米線直徑的減小其閥值場強(qiáng)隨之減小，場發(fā)射性能增強(qiáng)。05101520253。3540圖5不同直徑硅納米線的電流-電場特性3電子運(yùn)輸特性電子輸運(yùn)是一維納米材料的重要特性之一，測量本征硅納米線及硼、磷摻雜硅納米線的電子輸運(yùn)特性，其中硼摻雜硅納米線屬于P型半導(dǎo)體，磷摻雜硅納米線屬于n型半導(dǎo)體。對記錄在零柵極電壓時(shí)的I-V曲線分析可知本征硅納米線的電阻系數(shù)為3.9X102Q-cmo少量硼摻雜硅納米線在零柵極電壓時(shí)的電阻系數(shù)為1Q?cm,比本征硅納米線的測量值低兩個(gè)數(shù)量級。硼重?fù)诫s硅納米線的電阻系數(shù)僅為6.9X1CT3Q.頃。少量磷摻雜硅納米線在零柵極電壓時(shí)的電阻系數(shù)為2.6X102。億,，磷重?fù)诫s硅納米線的電阻系數(shù)為2.3X10-20-cmo以上結(jié)果表明硼和磷可以大幅度提高載流子濃度，改變硅納米線的電導(dǎo)率。三、應(yīng)用領(lǐng)域硅納米線由于自身特有的熒光、紫外等光學(xué)特性；場發(fā)射、電子輸運(yùn)等電學(xué)特性；熱傳導(dǎo)、高表面活性和量子限制效應(yīng)等特性引起了研究者們的廣泛關(guān)注。1硅納米線傳感器的應(yīng)用借鑒現(xiàn)有的硅基材料研究基礎(chǔ)以及制備納米傳感器已有的研究成果，采用硅納米線合成高靈敏、實(shí)時(shí)監(jiān)測、具有自修復(fù)能力的納米傳感器。2硅納米線晶體管以硅納米線為主要構(gòu)造單元，制備出了硅納米線FET、單電子晶體管(SET)和場效應(yīng)光電晶體管等多種晶體管。3光電探測器研究表明，納米線為單晶結(jié)構(gòu)，雖然同根納米線具有不同濃度的摻雜源和不同的摻雜元素，但是生長方向均為＜112＞方向?？臻g光電流測試表明，兩個(gè)電極間的本征硅納米線區(qū)域內(nèi)能夠產(chǎn)生最大的光電流，證明單根p-i-n納米線可以作為雪崩光電二極管，因此，P-i-n硅納米線具有直接極化靈敏度高、空間分辨率高且易與其它“由下而上”方法制備的光電元件相兼容的特點(diǎn)，所以這種硅納米線可用于將來的集成納米光電系統(tǒng)中。4硅納米線鋰離子負(fù)極材料電池硅是目前發(fā)現(xiàn)的具有最高理論儲鋰容量的負(fù)極材料(4200mAh/g),其比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨材料，但它的實(shí)際嵌鋰量與電極上硅的尺寸、電極配方及充放電倍率等因素密切相關(guān)。由SiNWs制作的新型鋰電池比傳統(tǒng)充電電池的儲電量提高了10倍。其技術(shù)的關(guān)鍵在于提高電池陽極的儲電量。用硅薄層或硅離子制成電池陽極時(shí)，大量高速運(yùn)動(dòng)的鋰原子會將陽極的硅擊碎，甚至還會破壞硅原子與底層金屬基底的聯(lián)系，減弱其效力，而用須狀硅線制成的電池陽極能大大改善這—狀況。四、優(yōu)缺點(diǎn)硅納米線作為一種新型的納米半導(dǎo)體材料，隨著尺寸的減小，量子限制效應(yīng)及庫侖阻塞效應(yīng)等納米特性會表現(xiàn)的越來越明顯，將會從更深層次顯示納米半導(dǎo)體材料的新現(xiàn)象、新性能，為實(shí)現(xiàn)納米器件的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但目前硅納米線納米電子器件還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，一般來講需要綜合運(yùn)用數(shù)種不同的制備技術(shù)才能完成納米器件的制備。五、研究方向硅納米線雖然已初步實(shí)現(xiàn)了在納米傳感器，納米場效應(yīng)晶體管及電子器件等方面的應(yīng)用，但SiNWs納米器件的研究僅處于初始階段，離納米器件的大規(guī)模集成還有相當(dāng)大的距離，隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展，納米電子器件的集成化是其必然的發(fā)展趨勢。今后一段時(shí)間的研究重點(diǎn)將主要集中在以下幾個(gè)方面。（1）由于表面原子比例大，具有很強(qiáng)的表面活性，所以需對SiNWs表面進(jìn)行改性處理，可望取得普通硅材料不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。（2）SiNWs在一定溫度時(shí)存在庫侖阻塞現(xiàn)象，利用此現(xiàn)象制得了單電子器件等，為實(shí)現(xiàn)單電子器件的高集成、超小型化開辟了一條新思路。（3）利用SiNWs的電子輸運(yùn)性能并進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎椌涂梢詫?shí)現(xiàn)具有不同檢測性能的傳感器，這種基于一維納米材料電學(xué)輸運(yùn)性能變化的傳感器可能會成為對化學(xué)、生物領(lǐng)域的多種物質(zhì)進(jìn)行高靈敏、高選擇性檢測的新技術(shù)。（4）摻雜研究是SiNWs的一個(gè)主要研究方向，也是實(shí)現(xiàn)硅納米線器件的重要手段，硼、磷等元素的摻雜可以改善硅納米線中的載流子濃度及半導(dǎo)體類型,明顯提高硅納米線的電子輸運(yùn)、場發(fā)射等性能，而硅納米線本身就是一種硅材料,較易與現(xiàn)有微電子工業(yè)制備工藝相兼容，很有希望成為納米傳感器等納米電子器件的潛在應(yīng)用半導(dǎo)體材料。由此可知，在成功大量合成硅納米線后，SiNWs在作為檢測各種不同物質(zhì)的納米傳感器、納米晶體管和集成電路元件方面將會獲得一系列進(jìn)展。隨著器件尺寸的減小，量子限制效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)等新穎性能就會越來越明顯，會從更深層次揭示納米半導(dǎo)體材料的新現(xiàn)象、新性能，為實(shí)現(xiàn)納米器件的應(yīng)用打下基