硅納米線溫度傳感器及其特點(diǎn)

摘要利用氣液固相法（VLS）制備硅納米線（SiNWs），結(jié)品的方向和結(jié)構(gòu)良好，用旋涂（SOD）法進(jìn)行非原位n型摻雜。非原位摻雜過程中使用基于固態(tài)擴(kuò)散的SOD技術(shù)，該SOD技術(shù)分為涂層和驅(qū)動兩個步奏。我們對含磷的硅納米線在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r間下進(jìn)行研究，本實(shí)驗(yàn)取950°C保持5到60分鐘。摻雜的納米線很容易做成一個具有良好分辨率和響應(yīng)速度的溫度傳感器。對不同摻雜濃度的SiNWs溫度傳感器的校準(zhǔn)工作已經(jīng)完成。本實(shí)驗(yàn)測定濃度為4氣的SiNWs傳感器具有最好的分辨率（6186Q/C）和靈敏度。關(guān)鍵詞-SiNWs；VLS合成；非原位摻雜；SOD；溫度傳感器I背景目前，硅是電子器件的重要材料。材料和工具的創(chuàng)新，通過“自上而下”的制造方法使電子器件的尺寸不斷減小。隨著尺寸的減小，“自上而下”的制造流程會出現(xiàn)越來越多的問題；因此，“自下而上”的制造方法更具指導(dǎo)意義。一維的納米結(jié)構(gòu)就是采用“自下而上”的制造方法。一維納米結(jié)構(gòu)材料硅納米線和碳納米管，是常用的研究納電子學(xué)的材料，因?yàn)樗鼈兊男螒B(tài)、尺寸和電子的特性比整塊材料優(yōu)越。然而，碳納米管材料在合成金屬或半導(dǎo)體納米管的控制，半導(dǎo)體納米管摻雜的控制，限制了碳納米管材料的應(yīng)用。VLS制備的半導(dǎo)體納米線，可以克服碳納米管的局限性。硅納米線（SiNWs）作為活性物質(zhì)具有研究意義，因?yàn)楣杓{米線可以把一維輸運(yùn)和傳統(tǒng)的成熟的Si工藝制造流程組合在一起。因此，硅納米線被認(rèn)為是場效應(yīng)晶體管，傳感器件，光學(xué)器件等納米電學(xué)材料的重要組成部分。此外，硅摻雜源的選擇和摻雜濃度的控制，已經(jīng)在傳統(tǒng)的集成電路工藝（固體擴(kuò)散，離子注入等）中被廣泛研究。然而，硅納米線主要是在VLS法中的氣相過程進(jìn)行原位摻雜。但是，原位摻雜生成的硅納米線結(jié)構(gòu)難以控制；例如，常用的摻雜劑氣體乙硼烷，在VLS法中用于生長SiNWs硅烷氣體，會導(dǎo)致側(cè)壁線額外的生長；乙硼烷濃度過高會導(dǎo)致非晶硅殼周圍形成晶體SiNWs；這些因素會導(dǎo)致SiNWs軸方向的摻雜不均勻。非原位摻雜與SiNWs生長的摻雜過程分開，避免了因SiNWs側(cè)壁生長導(dǎo)致?lián)诫s劑的變化或SiNWs結(jié)構(gòu)的變化。非原位擴(kuò)散使用旋涂法（SOD），在硅工藝上是十分成熟的。這種方法曾在VLS法進(jìn)行磷摻雜生成SiNWs實(shí)驗(yàn)中簡單介紹過。對SiNWs進(jìn)行非原位摻雜，最適合用固態(tài)旋涂法控制摻雜物，而且對硅納米線和硅品結(jié)構(gòu)造不成損害。適當(dāng)溫度和時間下的固態(tài)擴(kuò)散決定了SiNWs的數(shù)量。本實(shí)驗(yàn)中，通過旋涂法對VLS法生長的SiNWs晶體進(jìn)行非原位摻雜時，要先進(jìn)行退火處理。SiNWs與不同的方向襯底結(jié)合起來；非常有益于通過傳統(tǒng)集成電路制造流程，制造高分辨率、高靈敏度的溫度傳感器。SiNWs溫度傳感器的特性在實(shí)驗(yàn)中測量和報告。II傳感器的制造和實(shí)驗(yàn)首先，通過VLS法并利用金作催化劑在硅基板上生成SiNWs。在潔凈的p襯底（111方向）涂金膜，然后加熱使金膜蒸發(fā)濺射到納米顆粒上形成金納米線?；仔纬梢粋€低壓化學(xué)沉淀體系，生成SiNWs。SiNWs在300mtorr壓強(qiáng)SiH4/H2氣體的比例為100/400，經(jīng)過620°C保持240分鐘生長而成；然后用HF/H2O=1/50的氫氟酸溶液清洗硅納米線周圍的氧化層。在200kev下用JEOLJEM-2100F透射電子顯微鏡（TEM）觀察和在10kev下用JEOLJSM-7001掃描電子顯微鏡（SEM）成像分析SiNWs。SiNWs樣本懸掛在TEM銅網(wǎng)和多孔碳膜上進(jìn)行觀察。然后，在硅襯底（100）處，100nm厚氧化層上生長SiNWs,制成溫度傳感器。簡單的通過壓SiNWs襯底（使納米線的表面向下），硅襯底（100）方向頂部，使SiNWs襯底沿一個方向下滑完成轉(zhuǎn)向過程。SiNWs能被截斷，并且在襯底（100）在某個方向成良好的線性；如圖1a所示，這是由于硅納米受到特定方向的沖壓和滑動。通過光學(xué)顯微鏡可以觀察和辨別單個納米線的位置；由于納米線較長，可以從顯微鏡下清楚地觀察到。然后通過光刻制造出的電極連接每個硅納米線；構(gòu)造一個500nm厚，500X500.m大小的AI電極；電極之間間隔5口m。由于AI層很薄，納米線經(jīng)過鍍鋁和光刻膠處理后，在顯微鏡下仍能清晰的觀察出來，如圖1b。每個電極與硅納米線通過合適的連線連接。在單位光掩膜版上有40個電極，而平均大約只有10個電極與硅納米線相連。Eachpairofele-ctrndeshasaof5|imforconnectionwithasinglenanowire

緊接著用熱散射過程對SiNWs進(jìn)行旋涂摻雜，摻雜后退火處理，旋涂源由Emulsitone公司提供。旋涂摻雜的磷源的“磷膜”密度I1；、，旋涂磷源以每30s/3000rpm的轉(zhuǎn)速在SiNWs表面旋涂，然后再110°C下烘烤15分鐘，除去磷膜上多余的溶劑。然后，在石英爐中加熱到950C，烘烤10到60分鐘，使磷摻雜到SiNWs中。SiNWs通過500nm厚的AI電極傳輸電信號，實(shí)驗(yàn)用SussMicroTecMA150CC光刻機(jī)進(jìn)行光刻。AI電極與電壓表連接，然后就能測量SiNWs溫度傳感器的溫度特性。通過把傳感器放進(jìn)溫度箱，用NetDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。m結(jié)果及討論制備寬度為100到200納米，長度為18到22-m在硅品111方向的SiNWs；圖2a是在透射電子顯微鏡下觀測的；圖2b是SiNWs的電子衍射圖像。圖3是SiNWs溫度傳感器的掃描電子顯微鏡圖像，揭示了SiNWs溫度傳感器的原理。單個磷摻雜SiNW溫度傳感器單元，SiNW和AI電極通過沉積鋁薄膜與納米線接觸，傳感器阻值會非常低。Figure2.(a)HR-TEMSmagemrul(b)th^electrondiffractionpatternofanindividualSiNW.

Figure2.(a)HR-TEMSmagemrul(b)th^electrondiffractionpatternofanindividualSiNW.FigureS.SEMimageoftheSiNWtemperaturesensormorpho1cgy.The

insertisthesch已mati妃o￡theSiNWtemperatiEF已sensor-TABLEI. THEDOPINGCONCENTRATIONOFSlNWWITHDIFFERENTDIFFUSIONTIMEDiffusionTime(min)SlNWElectricihL(.'huructcristlc>SjA'Ff'rc諭i討(yEsiimatciitfjnccntrutffjn601.8xICT41xitf6102.1xICT13xIOU51.54x1儼SiNW的摻雜率，通過標(biāo)準(zhǔn)的硅電阻率與磷濃度的關(guān)系式得出；由SiNWs的摻雜濃度，可以得出SiNWs的摻雜濃度隨擴(kuò)散時間的增加而增加。在950°C下擴(kuò)散5到60分鐘，形成3種摻雜濃度SiNWs,如表1所示。硅納米線在5,10,60分鐘下的摻雜濃度為I、,】41，，：-%：4L3：］］日C：］】。(Eno)CDCIUCU苞善(Eno)CDCIUCU苞善Temperature(°C)Figure4.Thecharacter]SticofaSiNWtemperatur已senwcrindicat已salinear

variationbetweentemperatureandresistan-ceat30-100Y'.圖4摻雜濃度為?I：-一一：[IWle】ec：】I的SiNW溫度傳感器的溫度特性；溫度傳感器的阻值與溫度（30~100°C）呈線性變化；通過計算可以得出傳感器的分辨率為6186。/C。電阻的溫度系數(shù)（TCR,a）由下面的計算式得出：Ia=,一—— <1>（蕓一毛其中R1,R2是傳感器在T1,T2溫度下的阻值，計算得出TCR為；—】。一、atoms/Grr1atoms/Grr1。*atoms/crratomE7cmTemperature(°C)Figure5.Theresolutiono￡SiNWt已mperaturesensarwithdifferentdoping

gnsntrati^nn.TABLEII.SIMW[tMPblOMIJRbStNS(}RClIARAC1ER]SIICW|[||DlhKtRtVLIM}IJNC]C(JNCtNTKV[IONDopingConcentrationTemperatureSen^orChariteteri§tic(Hf°C)TCR(a)]G時0431.2x10^ix10ltf1107-1.5x"4x10136186-1.7x由圖5得出，不同的摻雜濃度的SiNW溫度傳感器具有不同溫度特性；隨著摻雜濃度的增加，傳感器的分辨率下降。摻雜濃度還可以影響SiNW溫度傳感器的TCR；表II是不同摻雜濃度下SiNW溫度傳感器的TCR；當(dāng)摻雜濃度從.I、:門：LL，.，L]EEl'增加到時，傳感器的分辨率從6186。/°C減到0.43。/°C；TCR的大小從C降到—'C電阻的溫度系數(shù)越高，溫度傳感器的分辨率越高；綜合得出SiNW溫度傳感器在摻雜濃度為?I、：門UL」.I:、CI】1時分辨率最高，靈敏度最好。W結(jié)論實(shí)驗(yàn)成功的通過VLS過程生成111方向的SiNWs晶體；SiNWs容易進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂布摻雜和退火；退火時間從5分鐘增加到60分鐘時，摻雜濃度會從?IV:門L』.，：.]1: