專利名稱：一種制作納米開關(guān)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電納米材料、器件及其開關(guān)特性應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制作納米開關(guān)的方法。本發(fā)明利用一維納米材料的共振原理、納米壓電器件特性及開關(guān)特性，經(jīng)過(guò)上述工藝流程，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)納米開關(guān)的目的。
背景技術(shù)：
物質(zhì)都有各自的固有頻率，一旦外界激勵(lì)信號(hào)的頻率接近其固有頻率，該物質(zhì)將產(chǎn)生共振。2007年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的AJETTL等人利用碳納米管(CNT) 制成了迄今為止世界上最小的收音機(jī)——納米收音機(jī)，該收音機(jī)由一根CNT及電極組成，可以發(fā)出MHz頻率的音頻信號(hào)，其最為顯著的特點(diǎn)在于將傳統(tǒng)收音機(jī)中需要獨(dú)立部件實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能(天線、調(diào)諧器、放大器和解調(diào)器等)全部由一根CNT實(shí)現(xiàn)，這其中就利用了當(dāng)輸入信號(hào)和CNT固有頻率接近時(shí)，CNT產(chǎn)生共振的原理。壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)晶體在沿特定方向的壓力作用下，會(huì)在其兩端分別出現(xiàn)正負(fù)電荷分布，從而在其內(nèi)部形成電場(chǎng)的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于晶體振蕩器、電聲器件、超聲波發(fā)生器等領(lǐng)域。選擇具有壓電效應(yīng)的一維納米材料(如ZnO納米線)作為溝道，其優(yōu)勢(shì)在于一維壓電納米材料不僅和其它一維納米材料一樣能夠產(chǎn)生共振，而且由于共振時(shí)一維壓電納米材料將進(jìn)行周期性振蕩，即一維壓電納米材料發(fā)生形變，振蕩形變的一維壓電納米線產(chǎn)生壓電效應(yīng)，形成壓電極化電場(chǎng)，該電場(chǎng)將調(diào)節(jié)溝道自由載流子，從而代替了常規(guī)FET柵電壓的調(diào)制功能。以本征ZnO納米線為例，納米線共振壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)示意圖以及工作原理圖如圖2所示。圖2(a)為器件結(jié)構(gòu)示意圖。Si襯底上生長(zhǎng)SiO2氧化介質(zhì)；在SiO2氧化介質(zhì)上制作底層電極；將ZnO納米線(水平方向?yàn)閏軸)的兩端精確組裝在底層電極上；在底層電極上制作覆蓋ZnO納米線的頂層電極；本征ZnO納米線內(nèi)存在自由電子(e_)，呈N型導(dǎo)電特性。圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)為器件工作原理圖。正負(fù)電極之間施加電壓，監(jiān)測(cè)流過(guò) ZnO納米線的電流變化。ZnO納米線可以看作兩端固定的一根納米懸浮梁。當(dāng)外界激勵(lì)信號(hào)頻率fo接近ZnO納米線的固有頻率時(shí)，ZnO納米線將產(chǎn)生共振，進(jìn)行周期性振蕩。當(dāng)ZnO納米線向下彎曲時(shí)，如圖2 (b)所示，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在納米線伸展一側(cè)積累正電荷，而在壓縮一側(cè)出現(xiàn)等量負(fù)電荷，形成壓電極化電場(chǎng)。如果納米線形變情況不改變， 這些由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的壓電極化電荷是固定的，不會(huì)移動(dòng)或者復(fù)合。對(duì)于N型ZnO納米線來(lái)說(shuō)，納米線伸展一側(cè)的正電荷將吸附納米線內(nèi)的自由電子(e_)。當(dāng)ZnO納米線形變至一定程度時(shí)，將產(chǎn)生足夠的壓電極化電荷，耗盡全部自由電子，相當(dāng)于起到了常規(guī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵電極的作用，此時(shí)ZnO納米線溝道處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)納米線恢復(fù)平衡位置時(shí)，如圖2 (c)所示，壓電電荷消失，ZnO納米線內(nèi)的自由電子在源漏電壓的作用下定向移動(dòng)，ZnO納米線溝道處于開啟狀態(tài)。與納米線向下彎曲的情形相似，當(dāng)ZnO納米線向上彎曲時(shí)，如圖2(d)所示，也會(huì)產(chǎn)生由形變導(dǎo)致的壓電電荷，耗盡aio納米線內(nèi)的自由電子，使得溝道截止。由此可知，當(dāng)ZnO納米線向上或向下彎曲時(shí)，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，由形變導(dǎo)致的壓電電荷將吸附ZnO納米線內(nèi)的自由電子，使得流過(guò)ZnO納米線的電流減少或者截止。當(dāng)ZnO納米線恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)，壓電效應(yīng)消失，流過(guò)ZnO納米線的電流恢復(fù)正常值。對(duì)于納米線而言，在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，發(fā)生向上和向下的兩次形變。如果形變程度足夠大，形成的壓電極化電荷能夠耗盡N型ZnO納米線內(nèi)的自由電子，溝道將由開啟轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。由于納米線的振蕩頻率與外加激勵(lì)頻率&相近，納米線共振壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道開關(guān)頻率可達(dá)到，有望實(shí)現(xiàn)納米壓電快速開關(guān)。利用一維壓電納米材料及器件工藝，制作納米開關(guān)在納米技術(shù)、開關(guān)機(jī)電耦合、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域均具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，如何利用壓電效應(yīng)調(diào)制溝道自由載流子，制作納米開關(guān)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究工作。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制作納米開關(guān)的方法，該方法包括步驟1 在襯底背面制作背柵電極；步驟2 在襯底正面生長(zhǎng)氧化介質(zhì)；步驟3 在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料，并轉(zhuǎn)移至襯底表面；步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7 將源電極接地，漏電極接負(fù)載，并在源漏電極間施加直流電壓；步驟8 將背柵電極外接至RF激勵(lì)信號(hào)源。上述方案中，所述步驟1包括采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。上述方案中，所述步驟2包括采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在Si襯底正面生長(zhǎng)一層S^2介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)Si襯底與后續(xù)制作的電極之間，以及Si襯底與組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。上述方案中，所述步驟3包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。上述方案中，所述步驟4包括將生長(zhǎng)一維壓電納米材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術(shù)，使一維壓電納米材料從生長(zhǎng)基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液; 一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞，然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。上述方案中，所述步驟5包括利用納米操控平臺(tái)及技術(shù)，將一維壓電納米材料的兩端分別精確組裝在兩個(gè)底層電極上，這兩個(gè)底層電極分別作為底層正負(fù)電極，使得組裝在底層正負(fù)電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。上述方案中，所述步驟6包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極，頂層電極金屬、底層電極金屬與一維壓電納米材料為歐姆接觸。上述方案中，所述步驟7包括利用引線鍵合技術(shù)，分別將源電極接地，漏電極接負(fù)載，同時(shí)在源漏電極間施加直流電壓。上述方案中，所述步驟8包括將背柵電極連接RF激勵(lì)信號(hào)源，調(diào)節(jié)RF激勵(lì)信號(hào)源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導(dǎo)致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種納米開關(guān)的制作方法，包括在襯底背面制作背柵電極、襯底正面生長(zhǎng)氧化介質(zhì)、在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作底層電極、超聲降解一維壓電納米線材料，并轉(zhuǎn)移至襯底表面、將一維壓電納米材料精確組裝在底層正負(fù)電極之間、在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極、源電極接地，漏電極接負(fù)載，并在源漏電極間施加直流電壓、背柵電極外接至RF激勵(lì)信號(hào)源。本發(fā)明利用一維納米材料的共振原理、納米壓電器件特性及開關(guān)特性，經(jīng)過(guò)上述工藝流程，調(diào)節(jié)RF激勵(lì)信號(hào)頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導(dǎo)致周期性振蕩形變，將激勵(lì)信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為一維壓電納米線的能量。振蕩形變的一維壓電納米線產(chǎn)生壓電效應(yīng)，形成壓電極化電場(chǎng)，該電場(chǎng)調(diào)制一維壓電納米線自由載流子，代替常規(guī)FET柵電壓的調(diào)制功能。由于納米線的振蕩頻率與外加激勵(lì)頻率fo相近，納米線共振壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道開關(guān)頻率可達(dá)到，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)納米開關(guān)的目的。


圖1是本發(fā)明提供的制作納米開關(guān)的方法流程圖；圖2是本發(fā)明提供的ZnO納米線開關(guān)的器件結(jié)構(gòu)示意圖以及工作原理圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明利用一維壓電納米材料的共振原理和壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了納米開關(guān)。利用RF 激勵(lì)信號(hào)引起一維壓電納米線共振，振蕩形變的一維壓電納米線將產(chǎn)生壓電效應(yīng)，形成壓電極化電場(chǎng)，利用該電場(chǎng)調(diào)制溝道自由載流子，代替常規(guī)FET柵電壓的調(diào)制功能。對(duì)于納米線而言，在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，發(fā)生向上和向下的兩次形變。如果形變程度足夠大，形成的壓電極化電荷能夠耗盡N型SiO納米線內(nèi)的自由電子，溝道將由開啟轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。由于納米線的振蕩頻率與外加激勵(lì)頻率fo相近，納米線共振壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道開關(guān)頻率可達(dá)到，有望實(shí)現(xiàn)納米壓電快速開關(guān)。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制作納米開關(guān)的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟1 在襯底背面制作背柵電極。采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。步驟2 在襯底正面生長(zhǎng)氧化介質(zhì)。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，在Si襯底正面生長(zhǎng)一層氧化介質(zhì)(如Si02介質(zhì))，實(shí)現(xiàn)Si襯底和后續(xù)制作的電極、組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。步驟3 在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作底層電極。采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離等工藝，在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料(如ZnO納米線)，并轉(zhuǎn)移至襯底表面。將生長(zhǎng)一維壓電納米材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術(shù)，使一維壓電納米材料從生長(zhǎng)基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液。一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞。然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上。利用納米操控平臺(tái)及技術(shù)， 將一維壓電納米材料的兩端分別精確組裝在兩個(gè)底層電極上，分別作為底層正負(fù)電極；使得組裝在底層正負(fù)電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極。采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離等工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極。頂層和底層電極金屬和一維壓電納米材料為歐姆接觸，提供了良好的電氣連接，同時(shí)起到了固定懸浮一維壓電納米材料的作用。步驟7 將源電極接地，漏電極接負(fù)載，并在源漏電極間施加直流電壓。利用引線鍵合技術(shù)，分別將源電極接地，漏電極接負(fù)載。同時(shí)在源漏電極間施加直流電壓。步驟8 將背柵電極外接至RF激勵(lì)信號(hào)源。將背柵電極連接RF激勵(lì)信號(hào)源，調(diào)節(jié) RF激勵(lì)信號(hào)源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導(dǎo)致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，該方法包括 步驟1 在襯底背面制作背柵電極；步驟2 在襯底正面生長(zhǎng)氧化介質(zhì)；步驟3 在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4 超聲降解一維壓電納米線材料，并轉(zhuǎn)移至襯底表面；步驟5 將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6 在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7 將源電極接地，漏電極接負(fù)載，并在源漏電極間施加直流電壓；步驟8 將背柵電極外接至RF激勵(lì)信號(hào)源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟1包括采用微電子制作工藝，在Si襯底背面蒸發(fā)一層金屬，作為背柵電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟2包括采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在Si襯底正面生長(zhǎng)一層Si02介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)Si襯底與后續(xù)制作的電極之間，以及Si襯底與組裝的一維壓電納米材料之間的隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟3包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作規(guī)則的電極，作為底層電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟4包括將生長(zhǎng)一維壓電納米材料的基片浸泡于異丙酮溶液中，采用超聲降解技術(shù)，使一維壓電納米材料從生長(zhǎng)基片表面脫落，懸浮于異丙酮溶液；一維壓電納米材料被分散在溶液內(nèi)，以減少相互纏繞，然后將含有一維壓電納米材料的異丙酮溶液滴于Si器件襯底的正面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟5包括利用納米操控平臺(tái)及技術(shù)，將一維壓電納米材料的兩端分別精確組裝在兩個(gè)底層電極上，這兩個(gè)底層電極分別作為底層正負(fù)電極，使得組裝在底層正負(fù)電極之間的一維壓電納米材料處于懸浮狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟6包括采用微電子制作工藝，經(jīng)光刻、蒸發(fā)金屬、剝離工藝，在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的電極，作為頂層電極，頂層電極金屬、底層電極金屬與一維壓電納米材料為歐姆接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟7包括利用引線鍵合技術(shù)，分別將源電極接地，漏電極接負(fù)載，同時(shí)在源漏電極間施加直流電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作納米開關(guān)的方法，其特征在于，所述步驟8包括將背柵電極連接RF激勵(lì)信號(hào)源，調(diào)節(jié)RF激勵(lì)信號(hào)源頻率接近一維壓電納米線固有頻率，使得一維壓電納米線發(fā)生共振，導(dǎo)致振蕩形變，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作納米開關(guān)的方法，該方法包括步驟1在襯底背面制作背柵電極；步驟2在襯底正面生長(zhǎng)氧化介質(zhì)；步驟3在生長(zhǎng)的氧化介質(zhì)上制作底層電極；步驟4超聲降解一維壓電納米線材料，并轉(zhuǎn)移至襯底表面；步驟5將一維壓電納米材料精確組裝在底層電極上；步驟6在底層電極之上制作覆蓋一維壓電納米材料的頂層電極；步驟7將源電極接地，漏電極接負(fù)載，并在源漏電極間施加直流電壓；步驟8將背柵電極外接至RF激勵(lì)信號(hào)源。本發(fā)明利用一維納米材料的共振原理、納米壓電器件特性及開關(guān)特性，經(jīng)過(guò)上述工藝流程，達(dá)到了制作納米開關(guān)的目的。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102214577SQ20101014521
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者張海英, 徐靜波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所