（微電子學與固體電子學專業(yè)論文）agsinws肖特基二極管溫敏特性的研究.pdf

l m a s t e rt h e s i so f2 0 1 1u n e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn o ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 1 6 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i 坶 r e s e a r c ho n t e m p e r a t u r ese n s i n g p r o p e r t i e so fa g s i l i c o nn a n o w i r e s d e p a r t m e n t ：e ! 皇! ! = i 壘le 墜g l 墜i 望g m a j o r ： s p e c i a l 夠： m i c r o e l e c t r o i l i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s m i c r o 一- n a n om a t e r i a l s & d e v i c e s m e n t o r ： q l 竺苧墨q 點i 壘墜圣塾塑望g n a m e ：d i a n f e im a 2 0 1 1 0 5 1 一 華東師范大學學位論文原創(chuàng)性聲明 鄭重聲明：本人呈交的學位論文a g s i n w s 肖特基二極管溫敏特性的研究， 是在華東師范大學攻讀啪士( 請勾選) 學位期間，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的 研究工作及取得的研究成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他 個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體， 均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 易被v 日期：z 口年f 月2 f 日 華東師范大學學位論文著作權(quán)使用聲明 a g s i n w 肖特基二極管溫敏特性的研究系本人在華東師范大學攻讀學 位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的頇切博士( 請勾選) 學位論文，本論文的研究成果 歸華東師范大學所有。本人同意華東師范大學根據(jù)相關(guān)規(guī)定保留和使用此學位論 文，并向主管部門和相關(guān)機構(gòu)如國家圖書館、中信所和“知網(wǎng)”送交學位論文的 印刷版和電子版；允許學位論文進入華東師范大學圖書館及數(shù)據(jù)庫被查閱、借閱； 同意學校將學位論文加入全國博士、碩士學位論文共建單位數(shù)據(jù)庫進行檢索，將 學位論文的標題和摘要匯編出版，采用影印、縮印或者其它方式合理復(fù)制學位論 文。 本學位論文屬于( 請勾選) () 1 經(jīng)華東師范大學相關(guān)部門審查核定的“內(nèi)部”或“涉密”學位論文 于年，月日解密，解密后適用上述授權(quán)。 卜乃2 不保密，適用上述授權(quán)。 導(dǎo)師簽名孟盎本人簽名地 肋j 1 年歲月2 1 日 “涉密”學位論文應(yīng)是已經(jīng)華東師范大學學位評定委員會辦公室或保密委員會審定 過的學位論文( 需附獲批的華東師范大學研究生申請學位論文“涉密”審批表方 為有效) ，未經(jīng)上述部門審定的學位論文均為公開學位論文。此聲明欄不填寫的，默認 為公開學位論文，均適用上述授權(quán)) 。 呈匱玉碩士學位論文答辯委員會成員名單 姓名職稱單位備注 褚君浩研究員華東師范大學主席 楊平雄研究員華東師范大學 王連衛(wèi)研究員華東師范大學 華東師范大學碩士學位論文 論文摘要 當半導(dǎo)體材料尺度至少在空間某一維度縮小到納米尺度范圍內(nèi)( 1 1 0 0 n m ) 后，將派生出很多新穎的納米效應(yīng)一表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏 觀量子隧道效應(yīng)，以此為基礎(chǔ)可以衍生出各類具有應(yīng)用潛力的納米器件。2 1 世紀 初的主要任務(wù)之一是依據(jù)納米結(jié)構(gòu)的各種新穎物理性質(zhì)，設(shè)計制作順應(yīng)2 1 世紀高 密度信息處理技術(shù)需要的新一代量子電子器件。納米器件的研究和發(fā)展已經(jīng)成為 新的科學研究熱點和未來新經(jīng)濟時代的增長點。本研究中對基于a s i n w s 的肖 特基二極管的溫度特性開展了研究。 本文中首先闡述了硅納米線上修飾金屬a g 的肖特基二極管( a s i n w s ) 的 制備過程。利用了伽伐尼置換原理( 即化學刻蝕) ，在( 1 0 0 ) 硅襯底一面生長納 米線陣列。通過化學無電鍍( e l e c t 】1 e s sp l a t i n g ) 的方式在已制備的硅納米線陣列 表面修飾金屬銀，形成糾s i n w s 肖特基接觸。在硅片另一面熱蒸發(fā)鋁并退火形 成歐姆接觸。并對器件進行了微觀形貌s e m 表征和物相分析m 表征。 其次，研究了a s i n 、二極管的電學特性，并測試了其i v - t 特性。顯示a g 與s 甜、形成了肖特基接觸，具有明顯整流特性，正向開啟電壓大約在l v 左右。 對比n 型、p 型硅襯底的a s i n w s 肖特基二極管的i v 特性，得到n 襯底的 a s i n w s 整流特性明顯，其反向截止特性較好，反向擊穿電壓至少大于l o v ， 且其反向電流隨溫度的增高而增大，并具有一定的規(guī)律性。 最后，選擇n 型襯底a s 烈w s 肖特基二極管作為研究對象，詳細地分析了 其電流傳輸機制以及其溫度敏感特性。主要包括了： 1 通過c h e u n g 模型，計算了得到a g n - s i n w ss b d 的零偏壓下的勢壘高度九為 0 9 5 7 e v ，串聯(lián)電阻為1 1 5 7 6 q ，理想因子為3 9 ，其正向電流傳輸機制不是理想 的熱電子發(fā)射電流傳輸機制； 2 采用1s t c 科軟件對a n - s 烈w ss b d 伏安特性進行曲線擬合分析其電流傳輸 機制。其傳輸機制受到熱電子發(fā)射、隧穿、產(chǎn)生一復(fù)合、漏電流幾種電流傳輸機 制的共同影響，熱電子發(fā)射機制在其中起到主導(dǎo)作用； 3 a n s 烈w ss b d 的曲線nv s t 斜率是a j 咖s is b d 的兩倍左右，以硅納米 線為襯底制備的肖特基勢壘二極管相對于體硅材料的二極管具有較高的溫度敏 感特性； 4 反向偏壓下，通過a s i n w ss b d 的電流隨溫度升高增大，l n | j s | 與1 0 0 0 廠r 存 i 華東師范大學碩士學位論文 在線性關(guān)系。當反向偏壓約為2 1 v 時，此線性關(guān)系的斜率達到最大值5 4 3 3 。 關(guān)鍵詞：硅納米線、表面修飾、肖特基勢壘二極管、i v 特性、溫度敏感。 華東師范大學碩士學位論文 a b s t r a c t w h e nt h es c a l eo fs “c o n d u c t o rm a t 甜a 1w a sr e d u c e dt ot h em n o m e t e rr a n g e ( 1 lo o n m ) a tl e a s to n ed i r l l e n s i o i l 南u rm n o p a n i c l e s 抽d u c e de 虢c t sw i l lb eb r o u g h t a b o u t s 曲c ee 丘i e c t ，q u a i l t l j n ls 娩ee 仃i e c t ，s m a l ls i z ee 氐e c ta n dm a c r o s c o p i cq u m t u m t u i m e l i i l ge 舒e c t av a r i e t yo fp o t e n t i a ln a r l o d e v i c ea p p l i c a t i o 璐c a nb ed e r i v a t i v e 蕾吣mt h e s en e we f f e c t s 0 1 1 eo ft h em a i l lt a s k si i le a r l y2 l 戧艦t l l 巧i st 0i i l n o v a t et h e n e wg e n l 玎a t i o no fq u a n t l l me l e c t r 0 i l i cd 它忻c e s ，w h i c hc a ns a t i s 矽t ot h e21s tc c 殂t 1 1 巧 l l i g h - d e i l s i t y i i l 自r m a t i o n p r o c e s s i i 瑪t e c h l o l o g y r e s e a r c h 鋤dd e v e l o p m e n to f n a n d - d e v i c e sh a v eb e c 0 m ear l e rr e s e a r c hf o c u sa i l da ne c o i l 0 i i l i c 毋o w t hp o i n to f f i l l u r en i 暑we c o n o 血ce r a f i r s t ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h cp r e p a r a t i o no fa s i n w ss c h o t t k yb a 玎i e rd i o d e s ( a s 訂q w ss b d s ) u s i l l gag a l v a i l i cd i s p l a c e m e n tm e t l l o d ( i e ，c h e l l l i c a le t d l i l l 曲，w e h a df a b r i c a t e dt h ev c n i c a l l y - a h g l l e ds i l i c o nn a n o w 婦a m i y s s i l v e rp 引i c a l sa r e m o d i f i e do n t ot h es u r f a c eo fs i l i c o nn a n o w 的sv i ae l e c 缸o l e s sp l a t 證培a n dl l s e d 嬲t h e s d l o t t bc o n t a c t t h eo h i l l i cc o n t a c tw 弱旬鋤e db yt h e n i l a le v a p o r a t i o n 砧o nt h e 0 t 】b e rs i d eo fs i l i c o na n d 南1 1 0 w e db ya n dr a p i dt h 咖a la n n e a l i i l g ( r t a ) t h e 刪叩h o l o g ) ，a n d 叼心a ls t m c t l 鵬o ft h ea s i n w sw e r ca n a l y z e dw i t hs e m a n d x r a yd i f h c t i o n s e c o n d l y t h ec 咐e n t v 0 1 t a g e - t e n p e r a t u r ep r o p e n i e s ( i - v t ) o f a s i n w ss b d s w e f es t u d i e d i ti sd e m o 塒r a t e dt h a ta g 鋤ds i n w s 南m e das d l o t t k yc o n t a 鴨w i t ha c l e a rr e c t i 馳gb e h a v i o ra l l dt h ef 0 刑a r dt u n l i l l g o nv o h a g e 1 vc o m p a r i n gt h ei v c h 對a c t e r i s t i c so fn 一鋤dp t y p es i l i c o ns u b s t r a t ea s 礬w ss c h o t t k yd i o d e s ，w e 南u n d 斌a g n - s i n w ss b d sl l a dt h eb e t t e rr e c t i 匆i 1 1 9p r o p 耐i c sa 1 1 dt h er e v e r s ec u t 0 行 c h 甜a c t e r i s t i c s a n dt h er e v e r s eb r e a l ( d o w nv o l t a g eo fa n s i n 、i sm o r et h a r i1o v a tl e a s t t h er e v e 裙e c u 盯e n ti i l c r e 嬲e s w i t l lt 鋤p e r a t u r ei i l c r e a s i l l gw i t hc e r t a i l l r e g i l l a r i t yr e l a t i v et oa g n s i n w ss b d ，t 1 1 er e v e r s eb r e a l ( d o w nv 0 1 t a g ea g p s i n w s b di sl o w 既t h ec l l a n g er e g u l a m yo fa 星咖一s 甜w ss b d p o s i t i v ea n dn e g a t i v ei - v 6 h a r a c t e r i s t i c sw i t ht e i n p e r a t u r ei sn o to b v i o u s f i l l a l l y ，a n - s n 、i w s s b d sh a db e e nc h o s e nt 0 s t u d yw e nt 1 1 e d e v i c e c h a 瞅e r i s t i c sa n da 1 1 a l y s et h e r r e n t 仃a i l s p o r tm e c h a i l i s ma n dt h et e i i 】p 咖e 一 i 華東師范大學碩一 = 學位論文 s e i l s i t i v ep r o p e r t i e s 血d e t a i l 1 u n d e rr o o mt e m p e r a t u r e 口= 3 0 0 k ) ，t l l ep a r a m e t e r so fa n - s i n w ss b d sh a d b e e ne x t r a c t i e d 旬1 1 0 w i i l gc l l e u n g sm o d e la n dt h eb a r r i 盯h e i g h t ，t h es e r i e sr e s i s t a n c e 鋤dt h ei d e a l “yf - a c c o ro b t a j i l e da r e0 9 5 7 e v1 l5 7 6 q ，3 9 ，r e s p e c t i v e l y t h e 向刑a r d c u r r e mt 刪：l s p o nm e c h a l l i s mi sn o td o m i l l a t e db yt h ei d e a l t h e m i o n j ce m i s s i o n 2 c u 仃吼tt r 齜即o r tm e c h a n i s mo fa n - s 烈w ss b di sa 1 1 a l y s e db yls t o p t s o r w a r ew | l i c hc 觚mt h ee x p e r i m e n t a li vc u r y cw i t ht h et 1 砌e t i c a lm d d e l s t h e m o d e l i l l g i n d i c a t e dt h a tn 圮c u 玎e n t廿鋤l s p l o r tm e c l l a i l i s m sa r ea 丘e c t e d b y a c o m b m a t i o no ft b e n i l j o i l i c 眥i s s i o n ，t u n n e l i n g ， g e r 啜a t i o n r e c o i i 】：b i n a t i o n a l l d l e a k a g ec u r r e n t ，i nw l l i c ht h e r m i 0 1 1 i ce l e c t r o n 砌s s i o nm e c l l a i l i s mp l a ya1 e a d i l l g r o l e 3 t 1 1 es l o p eo fi d e a l i t yf a c t o r ，i l ，v e r s u stc u 【r v cf o ra n - s 烈w ss b di st w i c e b i g g e rt h 趾n l a to fa g n - s io n e w ec a nd e r i v em a ta g n s i n w ss b dp r e p a r e do n s i n w ss 1 j b s t r a t eh 嬲l l i g l l e rt e i i l p 咖- s e l l s i t i v ep r o p e n i e st h 鋤a g n - s is b db 瑟e d o nb u l l ( s i l i c o ns u _ b s t i a t e 4 u n d e rr e v e r s eb i a s ，c u r r e n tt h r o u 曲t 1 1 ea s 甜w ss b di n c r e a s 錙w i t h t e i l l p 加r ei r l c r e a s i l l g c u 、鸛l ni j siv s - 1 0 0 0 ti sl i i l e 截w h e nt h er e v e r s eb i a s v o n a g ei s 燦u t2 1 vt h es l o p eo f t h cc u er e a c h e sai i l i 戚m u m5 4 3 3 k e y w o r d s ：s i l i c o ni l a n o w 訛s ( s 武w s ) ，s u r 。f a c 君m o d i f i c a t i o l l ，s c h o t t bb a r r i e r d i o d e ，i vc h a r a c t e r i s t i c s ，t e m p e r a t u r es e l l s i t i v e i v 華東師范大學碩士學位論文 目錄 論文摘要i a b s t r a c t 。川 目；素、， 圖片說明v i 表格說明v i i i 符號說明i x 第一章緒論1 1 1 納米材料及納米科技概述1 1 2 硅納米材料及器件3 1 3 肖特基二極管研究現(xiàn)狀6 1 4 基于納米線的肖特基結(jié)在傳感器中的應(yīng)用8 1 s 本論文的主要工作1 0 第二章硅納米線合成及器件制備基本原理1 1 2 1 硅納米線的合成1 1 2 2 表面修飾1 5 2 3 肖特基接觸1 6 2 3 1 肖特基勢壘1 6 2 3 2 肖特基勢壘的電流輸運理論和伏安特性1 8 2 4 小結(jié)2 0 第三章a g s i n w s 肖特基勢壘二極管的制備。2 1 3 1 硅納米線的制備2 1 3 2a g s i n w s 肖特基二極管制備一2 3 3 3a g s i n w s 掃描電鏡測試及r d 分析2 5 3 4 結(jié)論2 8 第四章a g s i n w s 肖特基勢壘二極管溫敏特性分析2 9 4 1a g s i n w s 肖特基勢壘二極管電學特性測試2 9 4 2a g n s i n w ss b d 電學特性參數(shù)提取3 4 4 3a g n s i n w ss b d 正向電流傳輸機制分析3 9 4 4a g n s i n w ss b d 溫敏特性。4 6 4 s 結(jié)論4 9 第五章總結(jié)與展望5 1 5 1 總結(jié)5 1 5 2 展望5 2 參考文獻5 3 致謝6 1 碩士論文期間發(fā)表文章。6 2 v 1 一 華東師范大學碩士學位論文 圖1 1 圖1 2 圖l - 3 圖1 4 圖1 5 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 9 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖4 1 圖4 2 圖片說明 j i i 培w a n 等通過s u 8 s i 0 2 p m m a 三層納米壓印技術(shù)制備的硅納米線陣歹l j 掃面電鏡圖 i n k y up 破等人設(shè)計的基于硅納米線的細胞內(nèi)生物化學探測器的結(jié)構(gòu)圖 示意圖一5 o 鼬1 0 p 脅c l 磁等人利用硅納米線制備雙柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖 l e e 等人制備z n o 納米線肖特基二極管流程 6 8 i c 哳ls k u c h a 等制備的p d s i n 、肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管的氫氣傳感器 器件實物圖 激光燒蝕發(fā)合成硅納米線機制模型 不同制備溫度下硅納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖 1 0 1 1 1 2 空洞直徑為3 8 i l l i l 的納米孔道氧化鋁( n c a ) 模板輔助生長的有序s 烈w s 陣列的掃描電鏡圖 金納米晶誘導(dǎo)硅納米線生長示意圖 沉積在硅表面的a g 納米粒子以及硅納米線掃描電鏡圖 1 3 1 3 1 4 金屬半導(dǎo)體接觸能帶圖：( a ) 金屬與n 型半導(dǎo)體接觸能帶圖( w m w s ) ； ( b ) 金屬與p 型半導(dǎo)體接觸能帶圖( w m w 。；2 ) 金屬和p 型半導(dǎo)體接觸，且金 屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即w m w s ) ；( b ) 金屬與p 型半導(dǎo)體接觸能帶圖( w m w 8 ) 1 6 華東師范大學碩士學何論文 金屬導(dǎo)體內(nèi)部有大量的導(dǎo)電電子，當金屬與半導(dǎo)體接觸( 二者距離只有原子 大小的數(shù)量級) 時，金屬的費米能級低于半導(dǎo)體的費米能級。在金屬內(nèi)部和半導(dǎo) 體導(dǎo)帶相對應(yīng)的分能級上，電子密度小于半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子密度。因此，在二者 接觸后，電子會從半導(dǎo)體向金屬擴散，從而使金屬帶上負電荷，半導(dǎo)體帶上正電 荷。由于金屬是理想的導(dǎo)體，負電荷只分布在表面為原子大小的一個薄層之內(nèi)。 而對于n 型半導(dǎo)體來說，失去電子的施主雜質(zhì)原子成為正離子，則分布在較大的 厚度之中。電子從半導(dǎo)體向金屬擴散運動的結(jié)果，形成空間電荷區(qū)、自建電場和 勢壘，并且耗盡層只在n 型區(qū)指向金屬，隨熱電子發(fā)射自建場增加，與擴散方向 相反的漂移電流增大，最終達到動態(tài)平衡，在金屬與半導(dǎo)體之間形成一個接觸勢 壘，這就是肖特基勢壘。 圖2 7 金屬與半導(dǎo)體結(jié)的電荷分布 描述肖特基勢壘的最重要的參數(shù)之一是勢壘高度，用g 虼表示。勢壘高度在 數(shù)值上等于金屬費米能級上的電子進入半導(dǎo)體導(dǎo)帶所需要的能量。對于金半直接 接觸的情況，勢壘高度等于金屬費米能級與界面上半導(dǎo)體導(dǎo)帶底之間的距離。理 想狀況下有： g 圪= 形一祝( 2 1 ) 根據(jù)上式，在同一種半導(dǎo)體上由不同金屬形成的勢壘，由于金屬功函數(shù)的不 同其勢壘高度也應(yīng)當不同。實驗證明，對于禁帶寬度較大、離子鍵較強的半導(dǎo)體， 如氧化鋅、硫化鎘等上述結(jié)論是正確的。但是對于禁帶寬度較小、共價鍵較強的 半導(dǎo)體，如鍺、硅等，勢壘高度幾乎與所用金屬的功函數(shù)無關(guān)，只和半導(dǎo)體的種 類有關(guān)。同一種半導(dǎo)體，與不同金屬形成的勢壘高度幾乎是一個常數(shù)。 共價半導(dǎo)體勢壘高度與金屬無關(guān)的實驗事實，首先由巴丁在1 9 4 7 年用半導(dǎo)體 表面存在高密度表面態(tài)的概念進行了解釋。所以這種與金屬功函數(shù)無關(guān)的接觸勢 壘就稱為巴丁勢壘。 巴丁認為，共價鍵半導(dǎo)體表面存在大量的表面態(tài)。這些表面態(tài)來源于表面晶 格周期排列中斷造成的懸掛鍵( 這稱為本征表面態(tài)) 和吸附的外來原子( 稱為非 1 7 ( 一 華東師范大學碩十學位論文 本征表面態(tài)) 。從這種半導(dǎo)體表面流到金屬的電子主要來自表面態(tài)。因此接觸勢 壘與金屬種類無關(guān)。由于離子鍵較強的半導(dǎo)體的表面不存在懸掛鍵引起的本征表 面態(tài)，故它的勢壘高度服從上式。下圖為有表面態(tài)和絕緣界面層的情況下金屬與 n 型半導(dǎo)體接觸處的能帶圖。 段 囂r e ， 圖2 8 具有表面態(tài)和界面層的金屬半導(dǎo)體接觸 一般情況下，金半之間可能存在薄的氧化層，而半導(dǎo)體表面態(tài)又不一定很 高，再綜合考慮鏡像力的影響，肖特基勢壘高度的一般表達式應(yīng)為： 紛瓶刊+ ( 1 - y ) g ( 一九) - g ( 2 - 2 ) 式中廠= 了主b ， 色半導(dǎo)體介電常數(shù) 考s + q l x t n3 “ t 界面層厚度 ，表面態(tài)密度 圪為鏡像力的影響，其表達式為蕓e 為電場強度o 2 3 2 肖特基勢壘的電流輸運理論和伏安特性 載流子通過肖特基勢壘形成電流的方式有四種?，F(xiàn)在以加正向偏置的金屬與 n 型半導(dǎo)體的接觸為例。這四種機制是： 1 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子越過勢壘頂進入金屬； 2 半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子直接隧穿過勢壘進入金屬； 3 耗盡區(qū)中電子、空穴的復(fù)合( 或產(chǎn)生) ； 4 中性區(qū)復(fù)合，即空穴注入效應(yīng)。 在理想肖特基二極管中，將第一種機構(gòu)視為電流輸運的主要方式。 理想狀況下，熱電子發(fā)射理論的電流電壓關(guān)系為： 甲唧( 1 吲唧( g 矧斗虹唧( g 一t 弘3 ， 其中 以“丁2 e x p ( 叫嘲，稱為飽和電流密度 彳= 4 翮g 哆石 稱為有效黜c h a r d n 常數(shù) 當偏壓超過3 k 1 q 時，通常將忽略。1 ，的一項，此時電流密度應(yīng)與唧( g 成正比。但是實際上并非這樣，電流實際上按照e x p ( g 力變化，其中n 近似 為常數(shù)，并大于1 ，n 常常稱為“理想因子 。n 一般在1 5 1 0 之間。 由此得 ，= t 唧( g 力 兩邊取對數(shù)： h ，= 嗇y + h l ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 可見，此時h l ，一礦為一直線 刀2 吾晶。寺箸 后zh 厶一h 1 ，l 七丁1 n 生 2 ( 2 - 6 ) 若考慮串聯(lián)電阻的影響，則電流電壓關(guān)系更為復(fù)雜。對于大的正向偏壓，由 于在由半導(dǎo)體中性區(qū)產(chǎn)生的串聯(lián)電阻r s 上的電壓降，使得真正加在耗盡區(qū)上的電 l - 一 華東師范大學碩七學位論文 壓低于加在二極管兩端的電壓。電流密度不遵守理想方程，而是正比于 e x 蝴矧，式中i 是通過二極管的航秈i 對v 作圖，在大的正向 電壓下會與直線偏離。 溫度的計量和監(jiān)測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟各部門具有重要意義和十分廣 泛的應(yīng)用。本文中我們基于硅納米線陣列的肖特基勢壘二極管研究了其電流傳輸 機制和溫敏特性。 2 4 小結(jié) 本章中我們闡述了硅納米線現(xiàn)存的常用合成方法及其優(yōu)缺點，并且闡述了肖 特基接觸和溫度傳感器的相關(guān)基礎(chǔ)理論。 華東師范大學碩七學位論文 第三章a g ，s in w s 肖特基勢壘二極管的制備 本章中我們表述了以伽伐尼置換法制備硅納米線的實驗過程以及制備原理， 并將制備好的硅納米線樣品進行了掃描電鏡形貌表征，其微觀形貌為有序的、垂 直襯底的、線狀硅納米線陣列?；瘜W無電電鍍的方式將金屬銀沉積在硅納米線陣 列之上，并通過) ( 】m 測試和電學性質(zhì)測試，形成具有明顯整流特性的肖特基接 觸。 3 1 硅納米線的制備 以兩寸晶向為 的電阻率范圍為o 1 1 0 q c m 雙面硅片為襯底，制備硅納 米線。 1 取4 片兩寸硅片進行r c a 標準清洗 r c a 清洗技術(shù)具體工藝大致如下【1 1 5 】： 具體清洗過程列于表3 1 ： 步驟清洗溶液清洗溫度清洗程度 ld h f室溫1 0 分鐘 2 d i h 2 0 室溫反復(fù)沖洗 3s p m 1 2 0 1 0 分鐘 4 d i h 2 0 室溫 反復(fù)沖洗 5a p m 6 0 1 0 分鐘 6 d i h 2 0 室溫反復(fù)沖洗 7h p m8 0 1 0 分鐘 8 d i h 2 0 室溫反復(fù)沖洗 9 丙酮 室溫 超聲 1 0d i h 2 0室溫反復(fù)沖洗 表3 1 硅片清洗過程 p i r a i l l l a ( s u l 缸i c p e r o x i d e rm i x t l l r e ，s p m ) ：h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 的體積比為 。2 ：鼢= 3 ：1 。該溶液普遍用來進行光刻膠剝離以及硅片表面其它吸附的有 機物，h 2 0 2 在去除有機物的同時硫酸根離子通過與金屬形成可溶性化合物而帶 走金屬。 ，1 華東師范大學碩十學f ? ，論文 s c 1 清洗液( hy d 】r o d 怕血p e r o x i d e rm i x 眥e ，a p 峋：n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 的 體積比為鯽：d 2 ：o = 1 ：l ：5 。s c - l 表示1 號標準清洗溶液，是另一種普遍 用于半導(dǎo)體工業(yè)的表面清洗技術(shù)。如表2 1 所示。其主要是用來除去硅片表面的 粒子，然后留下覆蓋著化學氧化層的表面。h 2 0 2 的作用是氧化表面，而n h 4 0 h 則是刻蝕氧化層。就是這種氧化與刻蝕的循環(huán)過程有效地去除粒子留下干凈的化 學氧化層。 s c 2 清洗液( h y d r o c m o r i cp e r o x i d e rm i x t l l r e ，h p m ) ：h c l ：h 2 0 2 ：h 2 0 的體 積比為：島：d = 1 ：1 ：6 。s c - 2 表示2 號標準清洗預(yù)處理，用以去除硅片表 面的金屬雜質(zhì)。強氧化劑如h 2 0 2 確保金屬氧化成金屬離子。h c l 使得所形成的化 合物可以用超純水沖離晶片表面。 最后用丙酮超聲處理，大量的去離子水多次清洗，烘干備用。 2 晶圓單面保護 將r c a 標準清洗過的兩寸晶圓放置在鼓風干燥箱內(nèi)6 0 烘1 小時，待其表面 水分蒸干后取出。選擇晶圓一面旋涂光刻膠，把膠均勻地滴在硅片上，然后使硅 片高速旋轉(zhuǎn)，液態(tài)膠在旋轉(zhuǎn)中因離心力的作用由軸心沿徑向飛濺出去，但粘附在 硅表面的膠受附著力的作用而被留下。在旋涂過程中膠所含的溶劑不斷揮發(fā)，故 可得到一層分布均勻的膠膜。膠膜的厚度除與光刻膠液本身的粘度有關(guān)外，還與 涂膠時的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，膠膜越薄，厚度均勻性也越理想。膠膜的厚 度與涂膠時晶片的旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比 1 1 6 1 。 在我們的實驗中，晶圓單面旋涂光刻膠的作用是為了硅片被旋涂了光刻膠的 一面在以下實驗中得到保護，另外一面形成硅納米線陣列，所以光刻膠的要較厚， 達到刻蝕液中保護單面硅的作用，然而又不能過厚，否則會降低光刻膠的粘附性， 容易出現(xiàn)浮膠現(xiàn)象。我們通常在實驗中采用3 0 0 0 轉(zhuǎn)分鐘的旋轉(zhuǎn)速度。旋涂了光 刻膠的晶圓面朝上，放置在鼓風干燥箱中1 0 0 烘干1 5 小時。 3 硅納米線生長 在我們的實驗中采用了伽伐尼置換法【1 1 7 1 制備納米線陣列，此方法的具體制 備原理和機制在萬麗娟的博士論文【1 1 7 1 中有詳細闡述。把單面涂膠的晶圓放入約 5 h f 溶液中浸泡3 秒左右，去除其表面自然氧化層，最終在其表面形成氫的終 止層，表3 2 給出了不同貴重金屬相對于標準氫的氧化還原電位。h 中止硅表面的 2 2 華東師范大學碩十學位論文 形成作用在于金屬沉積，以便硅納米線刻蝕過程的進行。 取一定量的硝酸銀溶于水，配成1 0 0 r n l 的7 0 i 州a g n 0 3 溶液，用保鮮膜將其 燒杯容器封閉后，超聲溶解大于半小時。然后在塑料容器中將氫氟酸稀釋，將配 制好的a g n 0 3 溶液加入其中，塑料棒攪拌均勻，配成2 0 0 硼體積比為l ：l 的2 0 h f 和3 5 m ma g n 0 3 混合溶液，作為刻蝕劑。其中刻蝕劑中各成分的作用分別是： 氫氟酸：由于能夠刻蝕s i 0 2 ，氫氟酸在刻蝕劑中起主要的刻蝕作用。 硝酸銀：得到電子后生成的單質(zhì)銀顆粒，推動反應(yīng)進行，a g 粒子堆積的位 置、大小、形狀決定了納米線形成的位置及半徑大小。 整個反應(yīng)過程可以用如下式子表示： 彳g + + p j 彳g ( 3 1 ) & + 6 ，一專s f 礦+ 4 p ( 3 2 ) 將形成了氫終止層的硅片放進刻蝕液中，常溫下反應(yīng)一定時間后取出硅片， 用去離子水反復(fù)沖洗后，放入硝酸溶液中將表面沉積的a g 粒子反應(yīng)溶解在溶液 中，浸在溶液中約l o s ，最后用去離子水反復(fù)沖洗。 表3 2 不同貴金屬的氧化還原電位( 相對于標準氫電位) 金屬 ( 單毒怒位) 通過改變實驗條件，包括刻蝕劑中氫氟酸( h f ) 的濃度、硝酸銀( a g n 0 3 ) 的濃 度以及刻蝕反應(yīng)的時間，制備出的硅納米線結(jié)構(gòu)形狀有所不同。萬麗娟和龔文麗 【1 1 5 ，1 1 7 1 分別在其畢業(yè)論文中有詳細的研究結(jié)果。 3 2a g s i n w s 肖特基二極管制備 1 硅納米線表面a g 修飾 以上制備的硅納米線陣列表面需要進行金屬a g 的修飾，來形成硅納米線與 金屬a g 的肖特基接觸。 2 3 華東師范大學碩士學 江論文 首先將制備好硅納米線的硅片放入5 h f 溶液里，約3 s 后取出，用去離子水 沖洗，此時的硅納米線陣列的表面形成了氫終止層。然后將其放入7 0 1 1 1 ma g n 0 3 溶液中約2 0 s 后取出，實驗過程中可以觀察到生長著硅納米線的黑色表面變黃變 灰，放入培養(yǎng)皿內(nèi)1 0 0 干燥箱內(nèi)烘干。將修飾金屬a g 的硅納米線浸泡在丙酮中， 去除用于保護硅片單面的光刻膠，約l m m 取出，再用酒精浸泡6 0 n 血s ，去除表面 殘留的丙酮，去離子水沖洗后6 0 烘干。 刻蝕生長納米線過程中光刻膠保護的一面通過蒸鋁形成歐姆接觸，整個樣品 進行4 5 0 0 c 氬氣保護下退火5 m i i l s ，由此我們將制備的器件結(jié)構(gòu)是一個歐姆接觸 ( 州s i ) 和一個肖特基接觸( 糾s 武w s ) 的串聯(lián)，具體的結(jié)構(gòu)示意圖請參照圖 3 1 。 三蕊震溺溺曩溺溺飄冊 l 罐 整。 湊 z鐫 滲翁溺； 圖3 1a s j n w ss b d s 器件結(jié)構(gòu)示意圖 2 a g s i n w s 肖特基二極管的封裝 半導(dǎo)體器件的封裝在器件性能上具有很重要的作用，尤其對于基于硅納米線 等納米級器件而言，其比表面大、表面效應(yīng)明顯，而且易于受到光、熱、濕度、 壓力等外界因素的影響，干擾其器件的本身性能，對器件的電學性質(zhì)測試和參數(shù) 測定起到阻礙作用，所以針對不同的器件，需要采用合適的封裝形式。 本論文中制備的基于a s i n w ss b d ，由于硅納米線對光的敏感性【引，需要 封裝時達到避光的效果；而且其對濕度也較為敏感【1 1 9 】，空氣中相對濕度的變化 會影響其整體的介電常數(shù)的變化，所以封裝要達到隔濕的效果。當然除以上提到 的主要影響因素外，還有很多外界的因素會對此器件的性能產(chǎn)生影響。本實驗中 我們采取不銹鋼的二極管傳統(tǒng)封裝形式對器件進行封裝。首先將制備的a s 烈、s b d 器件用金剛刀切成o 5 啪o 5 c m 的d i e ，分別在每小片的正反面用銀 2 4 華東師范大學碩十學位論文 漿引出導(dǎo)線，并將導(dǎo)線焊接在不銹鋼二極管封裝的管腳上，并用環(huán)氧樹脂膠體加 固，最后將二極管的不銹鋼蓋子蓋好，用環(huán)氧樹脂在周圍封閉好，并且標示此器 件的正負極，圖3 2 是其封裝后的實物圖。 圖3 2a s i n w s 肖特基二極管器件封裝實物圖 3 3a g s i n w 掃描電鏡測試及x r d 分析 1 掃描電鏡形貌表征 掃描電鏡( s e m ) 用于做表( 界) 面形貌分析，配制其他附件后可做表面成 分分析及表層晶體學位向分析等。將3 1 節(jié)中制備的硅納米線陣列通過s e m 掃描 電鏡進行形貌分析，分別制備了刻蝕時間為2 0 、4 0 、6 0 i i l i l l 的硅納米線樣品，如 圖3 3 中所示，從s e m 形貌表征中可以看到，刻蝕時間在4 0 i n i i l 的納米線整列樣品 呈現(xiàn)較高的均勻性，納米線長度大概在1 0 肛m 左右，刻蝕時間為2 0 i 血、6 0 i i l i i l 的 納米線樣品均勻性很差。從( a ) 中發(fā)現(xiàn)納米線初步形成，但是刻蝕力度不夠，而( c ) 圖中的樣品明顯呈現(xiàn)出過刻蝕的現(xiàn)象，很多納米線出現(xiàn)倒伏，而且在納米線的長 度上沒有明顯的增長。綜合以上結(jié)果，4 0 m i i l 左右的刻蝕時間是本實驗條件下制 備均勻度高、質(zhì)量高的硅納米線陣列較為合適的時間參數(shù)。 鬈霧，二7 ：$ 櫸。鬈舟4 壚雪冬 ，； 口 # ? 9 | ” ? 79 奠蠢：蠢 ，乙? ? + 誓j i ：! 。 ； i 。 一。，# 一 ，m 女“；# 。 鬻攀黲辮靜移諺；攀? 睡。蒼落，；埝擎 臻纛鰳 ( a )( b )( c ) 圖3 3 硅納米線s e m 掃描電鏡圖，硅片在刻蝕液中的刻蝕時間分別為：( a ) 2 0 i i 】i n ：( b ) 4 0 i i l i n ； ( c ) 6 0 i l l i n ，秘。荔登弼島 一荔。 甍暑。 繆 ， ，一一 k “，窘。 。k羹黲轡l 華東師范大學碩士學位論文 根據(jù)上面的s e m 掃描結(jié)果，我們制備了基于n 硅的、刻蝕時間為4 0 m i i l 的硅 納米整列，如3 2 節(jié)中所述，將制備好的硅納米線表面通過無電電鍍的方式修飾 金屬銀。修飾了金屬銀與無修飾的硅納米線陣列s e m 形貌表征圖如圖3 4 所示， 可以清晰地看到，金屬a g 粒子已經(jīng)修飾在硅納米線的頂端，而納米線之間的位 置未呈現(xiàn)火量的a g 粒子堆積，修飾數(shù)量遠遠小于納米線的頂端。 ( c ) ( e )( f ) 圖3 4 刻蝕時間4 0 i n i n 的硅納米線s e m 形貌表征：( a ) 放大l 萬倍的未修飾金屬a g 硅納米線陣 列頂視圖；( b ) 放大l 萬倍的修飾金屬a g 硅納米線陣列頂視圖；( c ) 放大2 5 0 0 倍的未修飾金屬 a g 硅納米線陣列的頂視圖：( d ) 放大2 5 0 0 倍的修飾金屬a g 硅納米線陣列的頂視圖；( e ) 放大 3 0 0 0 倍的未修飾金屬a g 硅納米線陣列的剖面圖；( f ) 放大3 0 0 0 倍的修飾金屬a g 硅納米線陣列 的剖面圖； 2 6 華東師范大學碩士學位論文 2 a g 修飾的硅納米線陣列m 成分分析 x 一射線衍射分析應(yīng)用于物相分析，包括單一物相的鑒定或驗證或者混合物物 相鑒定；也可應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)的分析，包括等效點系的測定、晶體對稱性( 空間 群) 的測定或者點陣常數(shù)( 晶胞參數(shù)) 測定；還可應(yīng)用于晶粒度測定和晶體定向， 如圖3 5 所示為x 射線衍射分析儀結(jié)構(gòu)圖。 害枷 要 c 圖3 5x 射線衍射分析儀結(jié)構(gòu)圖 圖3 6 修飾了a g 的硅納米線x - 射線衍射圖譜 將修飾了金屬a g 的硅納米線整列進行成分分析。從衍射圖( 圖3 6 ) 的 結(jié)果來看，圖中出現(xiàn)在大約6 9 1 3 0 處的明顯衍射峰，參照硅的x 】m 標準譜( j c p d s ， p d f2 7 1 4 0 2 ) 可知，其中2 e 為6 9 1 3 0 時，可對應(yīng)( 0 0 4 ) 衍射