（材料學(xué)專業(yè)論文）高性能磷摻雜硫化鎘納米帶場效應(yīng)管及其光電性能研究.pdfVIP

高性能磷摻雜硫化鎘納米帶場效應(yīng)管及其光電性能研究 摘要 硫化鎘( c d s ) 室溫下的禁帶寬度為2 4 e v ，是探測可見光的重要半導(dǎo)體材料之 一，其獨特的光電學(xué)性質(zhì)及廣泛應(yīng)用前景引起了科技工作者的極大興趣。伴隨著納米 技術(shù)的快速發(fā)展，針對c d s 納米結(jié)構(gòu)的合成與性質(zhì)研究越來越深入，同時，基于c d s 納米器件如光電二極管、傳感器和場效應(yīng)管及邏輯電路等的研究也備受關(guān)注。 本文系統(tǒng)地研究了磷摻雜c d s 納米帶場效應(yīng)管的電學(xué)及光學(xué)的性能。首先，采用 熱蒸發(fā)的方法，合成磷摻雜c d s 納米帶。然后制備出基于c d s ：p 納米帶的普通結(jié)構(gòu)場 效應(yīng)管，并對其電學(xué)性能進(jìn)行分析研究。隨后，采用高介電常數(shù)的柵極介質(zhì)和頂柵結(jié) 構(gòu)的方法，分別制備出高性能納米器件，并對其光學(xué)及電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重 點闡述了提高納米場效應(yīng)管器件性能的方法，對同類器件的制備及性能提高具有參考 意義，有利于相關(guān)納米器件的實際應(yīng)用。取得的主要成果如下： 1 、采用熱蒸發(fā)的方法，以硫化鎘和磷粉作為蒸發(fā)源和摻雜源，硅片和金分別作 為襯底和催化劑，合成了形貌均勻一致的磷摻雜硫化鎘納米帶。對合成工藝參數(shù)，溫 度、氣壓、氣流量及時間進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，獲得了最佳的工藝條件。分析表明， 用此方法合成的樣品為沿 o o l 】面生長的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的納米帶，其寬度在0 5 1 微 米之間、厚度大約為3 0 納米、長度在3 0 6 0 微米之間。實驗結(jié)果證明，此方法工藝簡 單，成本低廉，能夠大量合成納米材料且能實現(xiàn)有效摻雜，同時，也可以通過適當(dāng)改 變合成工藝參數(shù)有效調(diào)節(jié)樣品的形貌以獲得所需要的樣品。 2 、分別采用光刻法和m a s k 模板法兩種方法制備了基于單根磷摻雜硫化鎘納米 帶的底柵場效應(yīng)。兩種方法都采用表面帶有3 0 0 n m 厚的s i 0 2 層的重?fù)诫ss i 片作為基 體，其中p + s i 和s i 0 2 分別作為場效應(yīng)管的柵極和柵極絕緣層；磷摻雜c d s 納米帶 作為場效應(yīng)管的溝道；使用金屬銦制備場效應(yīng)管的源極和漏極，從而成功制備磷摻雜 c d s 納米帶底柵場效應(yīng)晶體管。 3 、系統(tǒng)研究了磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管的電學(xué)和光電學(xué)性能。電學(xué)性能 測試表明制備的器件為n 溝道場效應(yīng)管，c d s 納米帶的電導(dǎo)隨柵壓增加( 或減小) 而 增加( 或減小) ，其跨導(dǎo)、載流子遷移率、閾值電壓和亞閾值擺幅分別為7 2 n s 、1 4 8 c m 2 v s 、1 4 3 v 和2 5 v d e c 。光電測試結(jié)果顯示，磷摻雜c d s 納米帶對可見光比較敏 感，光照下電流為暗電流的1 0 倍，且光譜響應(yīng)分析顯示波長小于5 1 7 n m 的光對c d s 納米帶場效應(yīng)管的溝道電流有顯著提高。 4 、在3 0 0 下對c d s 納米帶底柵場效應(yīng)器件進(jìn)行十分鐘退火處理，能夠明顯改 善器件性能。經(jīng)分析可知，退火消除了納米帶和金屬電極的接觸勢壘，并激活了p 的 受主，因此電流比退火前提高了近一個數(shù)量級，其跨導(dǎo)g m = 7 0 n s ，載流子遷移率1 t n = 1 4 0 c m 2 v s 也提高了近1 0 倍。 5 、采用高介電常數(shù)氧化鉿柵極介質(zhì)作絕緣層，構(gòu)造頂柵結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高磷摻 雜c d s 納米帶場效應(yīng)管的性能。通過三步精確定位光刻方法，制備具有3 0 n m 氧化鉿 絕緣層的頂柵結(jié)構(gòu)c d s 納米帶場效應(yīng)管。其跨導(dǎo)、載流子遷移率、電流開關(guān)比、閾值 電壓和亞閾值擺幅分別為0 8 7 i t s 、2 7 4c m 2 v s 、1 07 、1 4 5 v 和2 0 0 m v d e g ，相比于底 柵場效應(yīng)管分別提高了1 2 0 、l 、1 0 6 、1 0 和1 2 5 倍。另外，測試發(fā)現(xiàn)，通過施加合適 的柵極電壓，可以獲得高達(dá)1 0 6 的明暗電流比。經(jīng)過計算分析，底柵場效應(yīng)管的下降 響應(yīng)時間高于3 0 秒，頂柵場效應(yīng)管具有較快的光響應(yīng)速度，其響應(yīng)速度小于5 s ，響 應(yīng)速度明顯提高。此實驗結(jié)果對光電器件的響應(yīng)頻率的提高具有一定的參考意義。 關(guān)鍵詞：硫化鎘納米帶：場效應(yīng)管；摻雜；高k 柵極絕緣層；項柵；響應(yīng)速度；納米 器件 f a b r i c a t i o na n dp h o t o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fh i g h p e r f o r m a n c e p h o s p h o r u s - d o p e dc d s n a n o r i b b o nf e t s a b s t r a c t c d si st h em o s tp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rd e t e c t i n gv i s i b l er a d i a t i o nd u et oi t sp r i m a r y b a n dg a po f2 4 e va tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c hn a n o s t r u c t u r e sh a v ea l s oa t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o no w i n gt ot h eu n i q u eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s d u et ot h ef a s td e v e l o p m e n t o fn a n o t e c h n o l o g y ，s t u d yo nf a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so fc d sn a n o m a t e r i a l sb e c o m e m o r ea n dm o r ep o p u l a r i na d d i t i o n , g r e a tp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e di nn a n o d e v i c e sb a s e d o nc d sn a n o m a t e r i a l s ，s u c ha sp h o t o e l e c t r i cd i o d e s ，s e n s o r s ，f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ( f e t ) a n dl o g i cc i r c u i t s d o p i n gi so n eo fm e t h o d st oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n dd e v i c e s b a s e do nc d sn o n m a t e r i a l s r e c e n t l y ，d o p i n g e f f e c to fs o m ed o p a n t s ，s u c ha si n 、 m n 、f e 、h ga n dc 1a n ds oo n ，h a sb e e nr e p o r t e d b u td o p i n gt om a t e r i a l s t oi m p r o v e t h ed e v i c e s p e r f o r m a n c e i sl i m i t e d b y m a t e r i a l st h e m s e l v e s f o rf u r t h e r i m p r o v e m e n to ft h ed e v i c ep e r f o r m a n c e ，w em u s tr e d e s i g nt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e d e v i c e s 。h e r e i n ，t o p g a t ec o n f i g u r a t i o na n dh i g h kd i e l e c t r i cm a t e r i a l ( h f 0 2 ) w e r e u s e df o rf u r t h e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t i l lt i l i sd i s s e r t a t i o n t h e e l e c t r i c a la n d o p t o e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e s o f p h o s p h o r u s d o p e dc d sn a n o r i b b o n sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y f i r s t ，p - d o p e dc d s n a n o r i b b o n sw e r es y n t h e s i z e db yc o - t h e r m a le v a p o r a t i o n t h e nb a c k - g a t ef e t sb a s e do n p d o p e dc d sn a n o r i b b o n sw e r ef a b r i c a t e d a n dt h ep e r f o r m a n c e sh a v e b e e ns t u d i e d s u b s e q u e n t l y , t o p - g a t ec o n f i g u r a t i o na n dh i g h l cd i e l e c t r i cm a t e r i a l ( h f 0 2 ) w e r eu s e d f o rf a b r i c a t i o nh i g h p e r f o r m a n c en a n o f e t f o c u s e so nt h em e t h o d st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e so ff e t ，i t su s e f u lf o ro t h e rf a b r i c a t i o no fn a n o - f e t sa n dh e l p f u lf o r i t sc o m m e r c ea p p l i c a t i o n t h er e s u l t sa r ef o l l o w i n g ： 1 t h ei n t r i n s i c a la n dd o p e dc d sn a n o r i b b o n sw e r es y n t h e s i z e db yc o - t h e r m a l e v a p o r a t i o n ，u s i n gc d sa n dp h o s p h o r u sp o w d e ra ss o u r c em a t e r i a la n dd o p a n tm a t e r i a l e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r ss u c ha s ：t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l o wr a t ea n dt i m ew e r es t u d i e d w e l l c d sn r sh a v eau n i f o r mw i d t ho f0 5 1p m ，at h i c k n e s so f - 3 0 p , m ，at y p i c a ll e n g t ho f 3 0 6 0 1 x r n m o r e o v e r , t h ec d sn r s a r eh e x a g o n a ls i n g l ec r y s t a l sg r o w na l o n gt h e 【0 01 】 o r i e n t a t i o n i na d d i t i o n a l ，t h ed i v e r s em o r p h o l o g i e so fm a t e r i a lc a nb eo b t a i n e db yd i f f e r e n t c o n d i t i o n 2 b a c k g a t e f e t sb a s e do na ni n d i v i d u a lc d sn a n o r i b b o nw a sf a b r i c a t e db y p h o t o l i t h o g r a p h ya n dm a s kt e m p l a t e t h es iw a f e rc o v e r e dw i t h3 0 0 n mt h i c ks i 0 2w a s i i i u s e da ss u b s t r a t e s ia n ds i 0 2w e r es e r v e da sg a t ee l e c t r o d ea n dg a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a l ， i n d i u mw a su s e df o rf a b r i c a t i n gt h es o u r c ea n dd r a i ne l e c t r o d e s 3 t h ee l e c t r i c a la n do p t o e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e so f b a c k g a t ec d s ：pn rf e t sh a v e b e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i ts h o w st h a tt h ed e v i c ee x h i b i t st h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f a l ln c h a n n e lf e t , i e ，w h e nv oi n c r e a s e s ( o rd e c r e a s e ) ，t h ec o n d u c t a n c eo ft h en r i n c r e a s e ( o rd e c r e a s e ) at r a n s c o n d u c t a n c e ( g m ) o f7 2 n s ，e l e c t r o nm o b i l i t y ( 腳) o f14 。8 c m z s ，t h r e s h o l dv o l t a g e ( v t h ) o f 一14 3 va n ds u b t h r e s h o l ds w i n g ( s ) o f2 5 v d e cw e r e o b t a i n e d f r o mt h em e a s u r e m e n t s ，p d o p e dc d sn rh a sah i 曲s e n s i t i v i t yt ov i s i b l el i g h t ； t h ec u r r e n to fc d sn rf e tm e a s u r e di nl i g h ti s10t i m e so fi tm e a s u r e di nd a r k ，t h ec u r r e n t i si n c r e a s e do b v i o u s l yi nl i g h tw a v e l e n g t ho fl e s st h a n517n n 4 a n n e a l i n gw a su s e df o ri m p r o v i n gt h eb a c k - g a t ec d s ：pn rf e tp e r f o r m a n c ea t 3 0 0 n l ec o n t a c tb a r r i e rw a se l i m i n a t e da n dt h epa c c e p t o rw a sa c t i v a t e db ya n n e a l i n g s ot h ec u r r e n tw a se n h a n c e db y10t i m e s at r a n s c o n d u c t a n c e ( g m ) o f7 0n sa n de l e c t r o n m o b i l i t y ( ) o f 14 0c m z sw e r eo b t a i n e d 5 h i g h 一1 ( d i e l e c t r i cm a t e r i a l ( h f 0 2 ) a n dt o p g a t ee o n f i g u r a t i o nw e r eu s e dt o f a b r i c a t et h et o p g a t ec d s ：pn rf e t at r a n s c o n d u c t a n c e ( g m ) o f0 8 7 1 x s ，e l e c t r o n m o b i l i t y ( ) o f2 7 4c m 上s ，i o n i o f fr a t i oo f107 ，t h r e s h o l dv o l t a g e ( v m ) o f - 1 4 5 va n d s u b t h r e s h o l ds w i n g ( s ) o f2 0 0 m v d e cw e r eo b t a i n e d i na d d i t i o n a l ，ah i 曲i l i g h t i d a ar a t i oo f 10 0c a nb eo b t a i n e db ya p p l y i n ga na p p r o p r i a t eg a t ev o l t a g e r e s p o n s es p e e do fb a c k - g a t e a n dt o p g a t ef e tw e r es t u d i e dw e l l ，w h i c hs h o w st h a tt h er e s p o n s et i m eo fb a c k g a t ef e t i sm o r et h a n3 0 s t h et o p g a t ef e th a saf a s tr e s p o n s es p e e dw i t l lr e s p o n s et i m eo fl e s st h a n 5 s k e y w o r d s ：c d sn a n o r i b b o n s ；f i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r s ；d o p i n g ；h i g h l cd i e l e c t r i c m a t e r i a l ；t o p - g a t e ；r e s p o n s es p e e d ；n a n o d e v i c e 插圖清單 圖1 1 芯片集成度的發(fā)展示意圖2 圖1 2 高介電柵介質(zhì)與金屬柵極晶體管的的共同作用2 圖1 3 光刻工藝的發(fā)展3 圖1 4 各種形貌的納米材料4 圖1 5m o s f e t 結(jié)構(gòu)示意圖( a ) 及典型特性曲線( b ) 6 圖1 - 6 納米場效應(yīng)管示意圖6 圖1 7c n f e t 的結(jié)構(gòu)7 圖1 8 不同柵壓下c n t f e t 的輸出特性曲線7 圖1 - 9c d s 納米帶的傳輸性能8 圖1 一1 0 ( a ) 不同波長光照下c d s 納米帶的i v 曲線( b ) c d s 納米帶的波長響應(yīng)9 圖1 1 l ( a ) c d s 納米帶的時間響應(yīng)圖( b ) 時間響應(yīng)的對數(shù)圖9 圖1 1 2 ( a ) 器件的掃描照片( b ) 肖特基二極管的i v 曲線( e ) - 極管正向電流( d ) 二極管反向電流l o 圖1 1 3 ( a ) 、( b ) 為納米反相器示意圖( c ) 納米反相器的傳輸特性( d ) 反相器的增益 l0 圖2 1 部分實驗儀器照片13 圖2 2 底柵場效應(yīng)管示意圖1 4 圖2 3 光刻工藝流程圖1 5 圖2 4 底柵場效應(yīng)管的制備工藝流程圖1 6 圖2 5 模板法示意圖。l7 圖2 - 6 頂柵場效應(yīng)管示意圖1 7 圖2 7 制備頂柵場效應(yīng)管示意圖1 9 圖2 8x 射線散射示意圖19 圖2 - 9 掃面電子顯微鏡。2 0 圖2 1 0 透射電子顯微鏡2 1 圖3 1c d s 納米結(jié)構(gòu)熱蒸發(fā)合成原理示意圖2 4 圖3 2 磷摻雜c d s 納米帶的掃描電鏡照片2 4 圖3 3 磷摻雜c d s 納米帶的( a ) 透射電鏡照片和( b ) 高分辨電鏡照片2 5 圖3 - 4 磷摻雜c d s 納米帶的x r d 圖2 6 圖3 5 磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管示意圖2 7 圖3 - 6c d s 納米帶分散照片2 7 圖3 7 模板法制備的場效應(yīng)管器件照片2 8 圖3 8c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管光刻圖案2 9 圖3 - 9 磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管3 0 圖3 1 0 單根磷摻雜c d s 納米底柵帶場效應(yīng)管3 0 圖3 1 1c d s 納米帶底柵場效應(yīng)實物照片3 1 圖3 1 2 磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線3 1 圖3 1 3 本征c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線3 2 圖3 1 4 磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線3 3 圖3 1 5 光電測試示意圖及器件照片3 4 圖3 1 6c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管光電流與暗電流信號對比3 5 圖3 1 7c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管電流隨時間響應(yīng)3 6 圖3 1 8 磷摻雜c d s 納米帶底柵場效應(yīng)管的光譜響應(yīng)3 6 圖3 1 9 退火后c d s 納米帶場效應(yīng)管輸出特性曲線3 7 圖3 2 0 退火后c d s 納米帶場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線3 8 圖4 1c d s 納米帶高一g 頂柵場效應(yīng)管示意圖4 1 圖4 2 磷摻雜c d s 納米帶高k 頂柵場效應(yīng)管的制備4 2 圖4 3 磷摻雜c d s 納米帶高k 頂柵場效應(yīng)管( a ) 實物照片和( b ) 掃面電鏡照片4 2 圖4 4 磷摻雜c d s 納米帶頂柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線。4 3 圖4 5 磷摻雜c d s 納米帶頂柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。4 4 圖4 6c d s 納米帶頂柵場效應(yīng)管的光響應(yīng)4 5 圖4 7c d s 納米帶頂柵場效應(yīng)管的光電時間響應(yīng)4 6 表格清單 表1 1 芯片發(fā)展各個階段中使用的光源3 表2 1 實驗藥品12 表4 1 底柵和頂柵場效應(yīng)管的性能對比。4 4 x 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我 所知，除了文中特別加以標(biāo)志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究 成果，也不包含為獲得金罡王些太堂 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 簽喚詮一哪悱1 腳 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金月墮些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)金鯉王 些盔堂可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 名辣漁 新躲學(xué)位論文者簽名：磋嘲導(dǎo)師簽名： 卞l 電 簽字日期： 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 簽字瞧汐、￥；o 電話： 郵編： 致謝 本論文的完成，得益于合肥工業(yè)大學(xué)蔣陽教授的精心指導(dǎo)，從課題的選定、文獻(xiàn) 資料的收集、開題報告準(zhǔn)備及論文寫作的指導(dǎo)蔣老師都傾注的大量心血，在此對導(dǎo)師 蔣陽教授表示感謝! 時光飛逝，研究生三年的學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束。通過這三年的學(xué)習(xí)很生活，使我對 材料科學(xué)的認(rèn)識更加深入，特別是對納米材料及器件知識的理解更是上了一個層次。 最重要的是我的人生觀、世界觀都得到了提升，學(xué)會了如何做好事，如何做好人。而 所有的這一切都得益于我的導(dǎo)師蔣陽教授。 研究生入學(xué)時，有幸成為蔣老師的學(xué)生，更加近距離的得到指導(dǎo)和幫助。蔣老師 深厚的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)、敏銳的洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)求實的學(xué)風(fēng)，以及平易近人的態(tài)度深深地影響 著我，使我在對本課題研究時，能夠快速、準(zhǔn)確的把握研究方法。遇到困難可迷惑時， 蔣老師更像是一盞明燈，指引著我前進(jìn)的方向。三年來，在蔣老師親切的關(guān)懷下，我 的理論知識得到充實的同時，更是學(xué)會了做事的一種思維方式。這對我來說是一筆巨 大的無形財富。 當(dāng)然在我研究生三年的學(xué)習(xí)生活中，我還要將我的謝意送給我實驗室的同窗摯友 吳波、蘇煌銘、石字、陳艷、李山鷹、藍(lán)新正、劉新梅。正是他們對我無微不至的關(guān) 心，才使我的研究生三年是充實的三年。同時還要感謝電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院的揭 建勝教授，吳春艷、王莉、汪壯兵、于永強(qiáng)等老師，在研究生期間得到了他們孜孜不 倦的教導(dǎo)使我受益匪淺。 感謝國家8 6 3 計劃( n o 2 0 0 7 a a 0 3 2 3 0 1 ) 、國家9 7 3 計劃( n o 2 0 0 7 c b 9 3 6 0 0 1 ) 、國 家教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”( n c e t - 0 4 0 5 6 1 ) 、國家自然科學(xué)基金( g r a n tn o 2 0 7 7 1 0 3 2 、n o 6 0 8 0 6 0 2 8 、n o 2 0 9 0 1 0 2 1 ) 、安徽省自然科學(xué)基金( 0 7 0 4 1 4 2 0 0 ) 、日本板 銷子材料基金的支持。 v 作者：吳翟 2 0 1 0 年4 月 合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 前言 信息技術(shù)的不斷進(jìn)步主要歸功于采用低價格，高速度，高密度的材料，以及不斷 增強(qiáng)的信息表述和處理方式的高可靠性。固體電子器件小型化和集成度持續(xù)不斷的發(fā) 展是計算機(jī)技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。先進(jìn)多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)部件和建立信息處理的需求 也需要進(jìn)一步減小芯片器件的尺寸。實際上，自從半導(dǎo)體器件和集成電路發(fā)明以來， 電子器件就一直朝著越來越小型化的方向演化，單個集成電路上的器件數(shù)量一直在穩(wěn) 步地增加，而典型集成電路平均成本卻沒有顯著的改變。半導(dǎo)體行業(yè)也一直遵守著名 的摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔1 8 個月便會增加一倍，性能 也將提升一倍。最初的集成電路由幾個半導(dǎo)體晶體管和電阻組成，它可以完成如邏輯 門或基本放大器等基本功能?，F(xiàn)在，數(shù)以百萬計的超大規(guī)模集成電路已經(jīng)很普遍，同 時，器件尺寸的減小也可以使其性能大大提高。 制造晶體管的平面工藝能夠通過把金屬蒸發(fā)到半導(dǎo)體晶片上的方法來形成內(nèi)部 連線。其中，一個主要的進(jìn)步是使用光刻技術(shù)，在半導(dǎo)體上放置特定圖案的掩模板， 通過光刻腐蝕將光刻模板上的復(fù)雜圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的s i 0 2 層上，再經(jīng)過摻雜擴(kuò)散 等工藝，形成相應(yīng)的器件和電路，這些步驟具有極高的精度和可靠性。同時，由于大 規(guī)模自動化生產(chǎn)的結(jié)果，盡管集成電路的復(fù)雜性增加了，但單個成本仍然保持很低l z j 。 1 9 6 5 年商用集成電路出現(xiàn)的時候，當(dāng)時最大的集成電路只有6 4 個器件，平均每個晶 體管占用面積近5 0 9 m x 5 0 1 t m 。1 9 7 1 年，英特爾公司推出第一款推出的微處理器，也 是全球第一款微處理器4 0 0 4 ，尺寸為3 m m x 4 m m ，外層有1 6 只針腳，內(nèi)里有2 , 3 0 0 個晶體管，它采用1 0 微米制程。而英特爾公司于2 0 0 9 年推出的c o r ei 7 處理器采用 3 2 n m 制作工藝，在2 9 6 平方毫米的區(qū)域上集成了7 3 1 億個晶體管。微處理器的發(fā)展 幾乎是每兩年集成度翻一番。晶體管數(shù)目也幾何級數(shù)的迅速攀升，一直到2 0 0 6 年， 6 5 n m 工藝技術(shù)突破遭遇的困難非常大，經(jīng)過幾次改進(jìn)后漏電流和功耗的情況有所改 善，但這也幾乎挖掘了c p u 最后的潛力，絕緣層已經(jīng)只有5 個硅原子的厚度，已經(jīng) 不可能再薄了，半導(dǎo)體芯片公司一英特爾，用盡了所有的辦法才使得6 5 n m 工藝基本 達(dá)到了要求，硅材料制造c p u 在6 5 r i m 時走到了盡頭，亟待新的突破。直到目前， h i 曲k 柵介質(zhì)和金屬柵極晶體管這兩個尖端技術(shù)的出現(xiàn)，才帶來了器件的重大的性能 提升和降低漏電，可實現(xiàn)產(chǎn)品由6 5 納米向4 5 納米的順利過渡，而促成這巨大技術(shù)進(jìn) 步的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展。 以h a f n i u m ( 鉿) 為基礎(chǔ)的h i g h k 材料對電子泄漏的阻隔效果比二氧化硅強(qiáng)，可以 達(dá)到傳統(tǒng)材料二氧化硅的l o 倍，電子泄漏基本被阻斷，可大幅減少漏電量。h i g h k 柵介質(zhì)與金屬柵極晶體管的引入能夠使得晶體管漏電率較之傳統(tǒng)材料降低l o 倍以上， 與6 5 納米制程工藝相比，能夠在相同耗能下提升2 0 的時鐘頻率亦或是在相同時鐘 頻率下?lián)碛懈偷暮哪堋? 5 納米晶片每秒鐘能夠進(jìn)行約三千億次的開關(guān)動作，在以銅 高性能磷摻雜磚化鑷納米帶場效應(yīng)管& 其光電性能研究 與l o w - k 材料搭配組成的內(nèi)部連接線的作用下，晶片開關(guān)速度能夠提升2 0 且耗電量 降低3 0 。 ( c ) 憊： 。夕 園 晶體管弦量 圖l _ l 芯片集成度的發(fā)展示意圖 ( 曲i n t e l4 0 0 4 ( b ) i n t e lc o m1 7 ( c ) 品體管數(shù)量的摩爾定律 f i gt - ii n t e g r a t i o nl e v e lo f c h i p s 圈l 一2 高介電柵介質(zhì)與金屈柵極晶體管的的菸同作用 f i gl - 2 c o m b i n e da c t i o n o f h i g h - kd i e l e c t r i ca n d m e t a lg a t e 剩 一一 合肥i 業(yè)大學(xué)碩學(xué)位論文 除了半導(dǎo)體以上所討論的工作原理極限限制之外，還有一些很具體的現(xiàn)實和技術(shù) 因素。光亥4 機(jī)當(dāng)然也是芯片制作中最關(guān)鍵的設(shè)備，發(fā)出的激光波長越短，分辨率越高， 形成微電路的線寬也就越窄。線寬縮小了，芯片的集成度才能得以提高。歷年來，光 刻機(jī)曝光光源的激光波長不斷縮短，從4 3 6 n m 、3 6 5 n m 的近紫外( n u v ) 激光進(jìn)入到 2 4 6 n m 、1 9 3 r i m 的深紫外( d u v ) 激光。為獲得這些激光，先后使用了汞燈光源和準(zhǔn) 分子光源。隨著器件的尺寸的縮小，尋找合適的光源也是至關(guān)重要的。 表l - i 芯片發(fā)展各個階段中使用的光源 準(zhǔn)分子激光光源 汞燈光源 k r fa r f f 2 波長( n m ) 3 6 52 4 61 9 31 5 7 分辨率( m )0 4020 1 50 1 2 0 5 i t r a 0 2 5 u m 、01 3 u r n 、9 0 n m 、 應(yīng)用工藝( 半節(jié)距)6 5 r i m 、4 5 r i m 02 5 i t m 01 8 p a n 、0 1 3 p r n6 5 n m 幽l 一3 光刻工藝的旋展 f i g , 1 - 3 t h e d e v e l o p m e m o f p h o t o l i t h o g r a p b y 目前，微電子超大集成電路的特征尺寸已經(jīng)從深亞微米級發(fā)展到納米尺度隨著 電子器件集成度的進(jìn)一步提高，微納電子器件物理和工藝面臨新的挑戰(zhàn)，而以量子輸 運(yùn)機(jī)制為主導(dǎo)的固態(tài)量子器件即所謂的納米電子器件，漸漸地從實踐和理論上步入 人們的視野，其研究途徑也漸漸清晰。目前比較成功的納米電子器件包括共振隧穿器 件、單電子器件、納米場效應(yīng)晶體管等。與傳統(tǒng)微電子器件相比，納米電子器件需要 高性能礴摻抽西| 【化鎘納米帶場效應(yīng)管擔(dān)其光電性能研究 人們研究新的運(yùn)行機(jī)理，探索新的材料，發(fā)展新的加工技術(shù)，以便在未來制各出更小 尺寸的器件，這正是納米電子學(xué)所要研究的問題。隨著c m o s 集成電路特征尺寸進(jìn)入 1 0 0 納米范圍并且遇到了一系列的難題，以新的制造技術(shù)和新的運(yùn)行機(jī)理為特征的納 米電子器件卻取得了顯著地成功，并在一定程度上超越了傳統(tǒng)的c m o s 集成電路器件 的性能。隨著納米材料和器件研究的進(jìn)展，它將帶動相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。納米科學(xué) 技術(shù)將是2 l 世紀(jì)最重要的學(xué)科和產(chǎn)業(yè)之一，同時也充滿著機(jī)遇和挑戰(zhàn)“j 。 1 2 納米材料及其器件 12 1 納米材料研究 近年來納米材料及其相關(guān)器件引起人們極大關(guān)注，形成世界范圍內(nèi)的研究熱潮。 由于尺寸限制效應(yīng)、表面效應(yīng)、小體積效應(yīng)的存在，納米材料可以被認(rèn)為是區(qū)別于傳 統(tǒng)薄膜與體材料的新的材料體系?；诘途S材料的納米器件也因此被發(fā)掘出了新的功 能與特性，從而具備超越現(xiàn)有器件性能的潛力?；诟黝惣{米材料的納米器件開發(fā)正 如火如荼地進(jìn)行中，這個領(lǐng)域的突破有望推動新一代光電器件的產(chǎn)生，可能成為信息 時代的基礎(chǔ)技術(shù)，為社會和科技的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響p j 。 圖l - 4 各種形貌的納米材料 f i g i - 4 n m l o m a t e r i a l s o f d i f f c r c m m o 吶o l o 百e s 合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 納米材料可以按照維度區(qū)分為零維量子點及準(zhǔn)一維納米線、帶、管等，其中準(zhǔn)一 維半導(dǎo)體是近幾年的熱點，它的研究可以追溯到9 0 年代初碳納米管的發(fā)現(xiàn)1 4 j 。盡管碳 納米管性能優(yōu)越，由它可以制成高性能的納米器件，其場效應(yīng)器件的性能接近甚至超 過硅基器件1 5 ，6 】。但碳納米管金屬性與半導(dǎo)體性取決于其直徑與螺旋度，產(chǎn)物往往是 不同傳導(dǎo)特性碳管的混合物，分離提純的困難限制了碳納米管的大規(guī)模應(yīng)用。與碳納 米管相比，準(zhǔn)一維半導(dǎo)體材料純度高、性質(zhì)可控、物性全面。此外，上世紀(jì)蓬勃發(fā)展 的半導(dǎo)體工業(yè)也為準(zhǔn)一維半導(dǎo)體的合成與器件化提供了大量可資借鑒的經(jīng)驗與實例。 因此最近人們更多把注意力轉(zhuǎn)向準(zhǔn)一維半導(dǎo)體的開發(fā)與應(yīng)用。目前制備的準(zhǔn)一維半導(dǎo) 體幾乎涵蓋了所有常見的半導(dǎo)體材料f 7 引，包括s i 9 1 、g e l l 0 1 、z n 0 1 1 、z n s l l 2 1 、z n s e l l 3 1 、 z n t e l l 4 1 、c d s 1 卯、c d s e 1 6 1 、c d t e 忉、i n 2 0 3 ( i 引、g a n 1 9 1 、i n p 2 0 1 、g a a s f 2 1 1 等等。具有 不同構(gòu)型的準(zhǔn)一維半導(dǎo)體如納米管【2 2 1 、線、帶2 3 1 、環(huán)【2 4 】、螺旋【2 5 1 、同軸電纜【2 6 】等被 一合成，并且新的納米材料還在不斷出現(xiàn)。各種生長機(jī)制包括氣液固( v l s ) 、法1 2 7 j ， 氣固( v s ) 澍2 引，以及氧化物輔助( o a g ) 法 2 9 】等被逐漸提出，人們對準(zhǔn)一維半導(dǎo) 體的生長過程的理解也越來越深入，生長技術(shù)也越來越完善【3 0 1 。 1 2 2 納米器件研究 目前標(biāo)準(zhǔn)的c m o s 器件是以硅材料為基底的器件，可稱為體硅c m o s 器件。體 硅c m o s 器件縮d , n 亞1 0 0 n m 以后將面臨著許多挑戰(zhàn)，除了工藝技術(shù)問題還有很多 器件物理問題需要解決，主要是電源電壓及閾值電壓縮小問題、短溝道效應(yīng)、柵氧化 層可靠性、量子效應(yīng)、雜質(zhì)數(shù)漲落的影響以及互連線延遲等問題。 傳統(tǒng)的集成電路芯片上晶體管的工作機(jī)理正在走向其物理極限，由于量子效應(yīng)對 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的性能影響越來越嚴(yán)重，簡單的等比例縮小或者對常規(guī)的體硅c m o s 器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，不能完全解決c m o s 面臨的種種挑戰(zhàn)，研究納米c m o s 的新型 器件結(jié)構(gòu)已成為迫切的課題。因此以量子效應(yīng)為特征的固態(tài)電子器件近年來成為固態(tài) 半導(dǎo)體器件的一大研究熱點，固態(tài)量子電子器件的物理、結(jié)構(gòu)和工藝與納米材料科學(xué) 及其加工技術(shù)緊密相連，這種器件構(gòu)成了納米電子器件的一個重要分支。 在納米電子器件中，電子的運(yùn)動不能再按照準(zhǔn)自由粒子模型解釋，而是遵循量子 力學(xué)規(guī)律。小尺寸引起的量子限域效應(yīng)也改變了電子的能態(tài)密度，納米結(jié)構(gòu)的載流子 輸運(yùn)中量子隧穿效應(yīng)成為器件特性中最基本特性?；诙嗔孔于寤蛘叱Ц竦墓舱袼?穿效應(yīng)制備出了共振隧穿晶體管。在零維納米島上，靜電排斥導(dǎo)致了電子的庫侖阻塞 效應(yīng)，基于納米隙的隧穿效應(yīng)和納米島的庫侖阻塞效應(yīng)制備出了單電子晶體管。采用 一維納米半導(dǎo)體如納米線、納米帶等作為m o s f e t 器件的溝道，可以實現(xiàn)不同但性 能更為優(yōu)越的納米場效應(yīng)晶體管器件，對于具備完整晶體結(jié)構(gòu)的一維納米材料而言， 溝道電子的輸運(yùn)性質(zhì)已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的m o s f e t 器件。納米電子器件將是繼真 空電子管和固態(tài)微電子器件之后的新一代電子器件。同時，人們已經(jīng)成功制備了基于 納米材料的生物傳感器【3 i j 、化學(xué)探測器f 3 2 j 、高性能的場效應(yīng)晶體管及邏輯電路【3 3 j 、激 光二極管【3 4 1 、發(fā)光二極管【3 5 l 、太陽能電池【3 6 】、發(fā)電機(jī)1 3 7 】等一系列的器件。 高性能磷摻雜硫化鎘納米帶場散應(yīng)管及其光電性能研究 以場效應(yīng)晶體管為例，場效應(yīng)晶體管由控制柵極上外加電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制 溝道電流，是只與電子或空穴一種載流予的行為有關(guān)的器件。這種器件不僅兼有體積 小、重量輕、耗電省、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、 抗輻射能力強(qiáng)和審4 造工藝簡單等優(yōu)點，因而大大的擴(kuò)展了它的應(yīng)用，特別是在大規(guī)模 和超太規(guī)模集成電路中得到了廣泛應(yīng)用m j 。它包括由p n 結(jié)形成柵極的結(jié)型f e t 、由 金屬絕緣體一半導(dǎo)體接觸形成的m i s f e t 。在m i s f e t 中，特別把絕緣層是氧化物的 所構(gòu)成的器件稱為m o s f e t 。圖卜5 是n 型溝道m(xù) o s f e t 的結(jié)構(gòu)和典型特性曲線。 蛙謦心蟄 p 型硅村康 圖i 一5m o s f e t 結(jié)構(gòu)示意圖( a ) 及典型特性曲線( b ) f i g i 一5s c h e m a t i co f m o s f e t ( 荀a n d t y p i c mc h a r k r i n i cc u n ，e ( b ) 圖1 缶納米場效應(yīng)管示意圖 f i gl 石t h e s c h e m m i co f n a n 乎f e t 圖1 6 分別為納米場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的示意圖。最早用碳納米管制成場效應(yīng)管是由 t a n s 等人完成的刪。這也是首次關(guān)于室溫下工作的納米線晶體管的報道，它不僅具有 和硅晶體管類似的結(jié)構(gòu)，也具有相似的性質(zhì)，與相同特征尺寸m o s f e t 相比，它的 合肥i 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 b abc 7 c n f e t 的結(jié)構(gòu) f 镕j - 7 t a es 口u c f u m o f c n f e t 特性更為優(yōu)良。這個c n t f e t 的器件結(jié)構(gòu)如圖1 7 所示，硅作為基底，表面二氧化硅 作為絕緣層，一根半導(dǎo)體單壁碳納米管覆蓋在s i 0 2