（微电子学与固体电子学专业论文）agsinws肖特基二极管温敏特性的研究.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 垒le 坠g l 坠i 望g m a j o r ： s p e c i a l 够： 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 竺苎墨q 点i 垒坠圣塾塑望g n a m e ：d i a n f e im a 2 0 1 1 0 5 1 一 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文a g s i n w s 肖特基二极管温敏特性的研究， 是在华东师范大学攻读啪士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他 个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 易被v 日期：z 口年f 月2 f 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 a g s i n w 肖特基二极管温敏特性的研究系本人在华东师范大学攻读学 位期间在导师指导下完成的顸切博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果 归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论 文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的 印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅； 同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将 学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论 文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 于年，月日解密，解密后适用上述授权。 卜乃2 不保密，适用上述授权。 导师签名孟盎本人签名地 肋j 1 年岁月2 1 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 呈匮玉硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 褚君浩研究员华东师范大学主席 杨平雄研究员华东师范大学 王连卫研究员华东师范大学 华东师范大学硕士学位论文 论文摘要 当半导体材料尺度至少在空间某一维度缩小到纳米尺度范围内( 1 1 0 0 n m ) 后，将派生出很多新颖的纳米效应一表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏 观量子隧道效应，以此为基础可以衍生出各类具有应用潜力的纳米器件。2 1 世纪 初的主要任务之一是依据纳米结构的各种新颖物理性质，设计制作顺应2 1 世纪高 密度信息处理技术需要的新一代量子电子器件。纳米器件的研究和发展已经成为 新的科学研究热点和未来新经济时代的增长点。本研究中对基于a s i n w s 的肖 特基二极管的温度特性开展了研究。 本文中首先阐述了硅纳米线上修饰金属a g 的肖特基二极管( a s i n w s ) 的 制备过程。利用了伽伐尼置换原理( 即化学刻蚀) ，在( 1 0 0 ) 硅衬底一面生长纳 米线阵列。通过化学无电镀( e l e c t 】1 e s sp l a t i n g ) 的方式在已制备的硅纳米线阵列 表面修饰金属银，形成纠s i n w s 肖特基接触。在硅片另一面热蒸发铝并退火形 成欧姆接触。并对器件进行了微观形貌s e m 表征和物相分析m 表征。 其次，研究了a s i n 、二极管的电学特性，并测试了其i v - t 特性。显示a g 与s 甜、形成了肖特基接触，具有明显整流特性，正向开启电压大约在l v 左右。 对比n 型、p 型硅衬底的a s i n w s 肖特基二极管的i v 特性，得到n 衬底的 a s i n w s 整流特性明显，其反向截止特性较好，反向击穿电压至少大于l o v ， 且其反向电流随温度的增高而增大，并具有一定的规律性。 最后，选择n 型衬底a s 烈w s 肖特基二极管作为研究对象，详细地分析了 其电流传输机制以及其温度敏感特性。主要包括了： 1 通过c h e u n g 模型，计算了得到a g n - s i n w ss b d 的零偏压下的势垒高度九为 0 9 5 7 e v ，串联电阻为1 1 5 7 6 q ，理想因子为3 9 ，其正向电流传输机制不是理想 的热电子发射电流传输机制； 2 采用1s t c 科软件对a n - s 烈w ss b d 伏安特性进行曲线拟合分析其电流传输 机制。其传输机制受到热电子发射、隧穿、产生一复合、漏电流几种电流传输机 制的共同影响，热电子发射机制在其中起到主导作用； 3 a n s 烈w ss b d 的曲线nv s t 斜率是a j 咖s is b d 的两倍左右，以硅纳米 线为衬底制备的肖特基势垒二极管相对于体硅材料的二极管具有较高的温度敏 感特性； 4 反向偏压下，通过a s i n w ss b d 的电流随温度升高增大，l n | j s | 与1 0 0 0 厂r 存 i 华东师范大学硕士学位论文 在线性关系。当反向偏压约为2 1 v 时，此线性关系的斜率达到最大值5 4 3 3 。 关键词：硅纳米线、表面修饰、肖特基势垒二极管、i v 特性、温度敏感。 华东师范大学硕士学位论文 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 戗舰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 玛t e c h l o l o g y r e s e a r c h 锄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 订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 妇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 证培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 弱旬锄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 删叩h o l o g ) ，a n d 叼心a ls t m c t l 鹏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 埘r a t e dt h a ta g 锄ds i n w s 南m e das d l o t t k yc o n t a 鸭w i t ha c l e a rr e c t i 驰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 对a c t e r i s t i c so fn 一锄dp t y p es i l i c o ns u b s t r a t ea s 矾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 锄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 华东师范大学硕一 = 学位论文 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 锄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 删：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 龇即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廿锄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 眦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 锄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 锱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 、鹳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 灿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 讹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 华东师范大学硕士学位论文 目录 论文摘要i a b s t r a c t 。川 目；素、， 图片说明v i 表格说明v i i i 符号说明i x 第一章绪论1 1 1 纳米材料及纳米科技概述1 1 2 硅纳米材料及器件3 1 3 肖特基二极管研究现状6 1 4 基于纳米线的肖特基结在传感器中的应用8 1 s 本论文的主要工作1 0 第二章硅纳米线合成及器件制备基本原理1 1 2 1 硅纳米线的合成1 1 2 2 表面修饰1 5 2 3 肖特基接触1 6 2 3 1 肖特基势垒1 6 2 3 2 肖特基势垒的电流输运理论和伏安特性1 8 2 4 小结2 0 第三章a g s i n w s 肖特基势垒二极管的制备。2 1 3 1 硅纳米线的制备2 1 3 2a g s i n w s 肖特基二极管制备一2 3 3 3a g s i n w s 扫描电镜测试及r d 分析2 5 3 4 结论2 8 第四章a g s i n w s 肖特基势垒二极管温敏特性分析2 9 4 1a g s i n w s 肖特基势垒二极管电学特性测试2 9 4 2a g n s i n w ss b d 电学特性参数提取3 4 4 3a g n s i n w ss b d 正向电流传输机制分析3 9 4 4a g n s i n w ss b d 温敏特性。4 6 4 s 结论4 9 第五章总结与展望5 1 5 1 总结5 1 5 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢6 1 硕士论文期间发表文章。6 2 v 1 一 华东师范大学硕士学位论文 图1 1 图1 2 图l - 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图片说明 j i i 培w a n 等通过s u 8 s i 0 2 p m m a 三层纳米压印技术制备的硅纳米线阵歹l j 扫面电镜图 i n k y up 破等人设计的基于硅纳米线的细胞内生物化学探测器的结构图 示意图一5 o 鼬1 0 p 胁c l 磁等人利用硅纳米线制备双栅场效应晶体管的结构示意图 l e e 等人制备z n o 纳米线肖特基二极管流程 6 8 i c 哳ls k u c h a 等制备的p d s i n 、肖特基势垒场效应晶体管的氢气传感器 器件实物图 激光烧蚀发合成硅纳米线机制模型 不同制备温度下硅纳米结构的扫描电镜图 1 0 1 1 1 2 空洞直径为3 8 i l l i l 的纳米孔道氧化铝( n c a ) 模板辅助生长的有序s 烈w s 阵列的扫描电镜图 金纳米晶诱导硅纳米线生长示意图 沉积在硅表面的a g 纳米粒子以及硅纳米线扫描电镜图 1 3 1 3 1 4 金属半导体接触能带图：( a ) 金属与n 型半导体接触能带图( w m w s ) ； ( b ) 金属与p 型半导体接触能带图( w m w 。；2 ) 金属和p 型半导体接触，且金 属的功函数小于半导体的功函数，即w m w s ) ；( b ) 金属与p 型半导体接触能带图( w m w 8 ) 1 6 华东师范大学硕士学何论文 金属导体内部有大量的导电电子，当金属与半导体接触( 二者距离只有原子 大小的数量级) 时，金属的费米能级低于半导体的费米能级。在金属内部和半导 体导带相对应的分能级上，电子密度小于半导体导带的电子密度。因此，在二者 接触后，电子会从半导体向金属扩散，从而使金属带上负电荷，半导体带上正电 荷。由于金属是理想的导体，负电荷只分布在表面为原子大小的一个薄层之内。 而对于n 型半导体来说，失去电子的施主杂质原子成为正离子，则分布在较大的 厚度之中。电子从半导体向金属扩散运动的结果，形成空间电荷区、自建电场和 势垒，并且耗尽层只在n 型区指向金属，随热电子发射自建场增加，与扩散方向 相反的漂移电流增大，最终达到动态平衡，在金属与半导体之间形成一个接触势 垒，这就是肖特基势垒。 图2 7 金属与半导体结的电荷分布 描述肖特基势垒的最重要的参数之一是势垒高度，用g 虼表示。势垒高度在 数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体导带所需要的能量。对于金半直接 接触的情况，势垒高度等于金属费米能级与界面上半导体导带底之间的距离。理 想状况下有： g 圪= 形一祝( 2 1 ) 根据上式，在同一种半导体上由不同金属形成的势垒，由于金属功函数的不 同其势垒高度也应当不同。实验证明，对于禁带宽度较大、离子键较强的半导体， 如氧化锌、硫化镉等上述结论是正确的。但是对于禁带宽度较小、共价键较强的 半导体，如锗、硅等，势垒高度几乎与所用金属的功函数无关，只和半导体的种 类有关。同一种半导体，与不同金属形成的势垒高度几乎是一个常数。 共价半导体势垒高度与金属无关的实验事实，首先由巴丁在1 9 4 7 年用半导体 表面存在高密度表面态的概念进行了解释。所以这种与金属功函数无关的接触势 垒就称为巴丁势垒。 巴丁认为，共价键半导体表面存在大量的表面态。这些表面态来源于表面晶 格周期排列中断造成的悬挂键( 这称为本征表面态) 和吸附的外来原子( 称为非 1 7 ( 一 华东师范大学硕十学位论文 本征表面态) 。从这种半导体表面流到金属的电子主要来自表面态。因此接触势 垒与金属种类无关。由于离子键较强的半导体的表面不存在悬挂键引起的本征表 面态，故它的势垒高度服从上式。下图为有表面态和绝缘界面层的情况下金属与 n 型半导体接触处的能带图。 段 嚣r e ， 图2 8 具有表面态和界面层的金属半导体接触 一般情况下，金半之间可能存在薄的氧化层，而半导体表面态又不一定很 高，再综合考虑镜像力的影响，肖特基势垒高度的一般表达式应为： 纷瓶刊+ ( 1 - y ) g ( 一九) - g ( 2 - 2 ) 式中厂= 了主b ， 色半导体介电常数 考s + q l x t n3 “ t 界面层厚度 ，表面态密度 圪为镜像力的影响，其表达式为芸e 为电场强度o 2 3 2 肖特基势垒的电流输运理论和伏安特性 载流子通过肖特基势垒形成电流的方式有四种。现在以加正向偏置的金属与 n 型半导体的接触为例。这四种机制是： 1 半导体导带中的电子越过势垒顶进入金属； 2 半导体导带电子直接隧穿过势垒进入金属； 3 耗尽区中电子、空穴的复合( 或产生) ； 4 中性区复合，即空穴注入效应。 在理想肖特基二极管中，将第一种机构视为电流输运的主要方式。 理想状况下，热电子发射理论的电流电压关系为： 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，称为饱和电流密度 彳= 4 翮g 哆石 称为有效黜c h a r d n 常数 当偏压超过3 k 1 q 时，通常将忽略。1 ，的一项，此时电流密度应与唧( g 成正比。但是实际上并非这样，电流实际上按照e x p ( g 力变化，其中n 近似 为常数，并大于1 ，n 常常称为“理想因子 。n 一般在1 5 1 0 之间。 由此得 ，= t 唧( g 力 两边取对数： h ，= 啬y + h l ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 可见，此时h l ，一矿为一直线 刀2 吾晶。寺箸 后zh 厶一h 1 ，l 七丁1 n 生 2 ( 2 - 6 ) 若考虑串联电阻的影响，则电流电压关系更为复杂。对于大的正向偏压，由 于在由半导体中性区产生的串联电阻r s 上的电压降，使得真正加在耗尽区上的电 l - 一 华东师范大学硕七学位论文 压低于加在二极管两端的电压。电流密度不遵守理想方程，而是正比于 e x 蝴矧，式中i 是通过二极管的航籼i 对v 作图，在大的正向 电压下会与直线偏离。 温度的计量和监测在工农业生产和国民经济各部门具有重要意义和十分广 泛的应用。本文中我们基于硅纳米线阵列的肖特基势垒二极管研究了其电流传输 机制和温敏特性。 2 4 小结 本章中我们阐述了硅纳米线现存的常用合成方法及其优缺点，并且阐述了肖 特基接触和温度传感器的相关基础理论。 华东师范大学硕七学位论文 第三章a g ，s in w s 肖特基势垒二极管的制备 本章中我们表述了以伽伐尼置换法制备硅纳米线的实验过程以及制备原理， 并将制备好的硅纳米线样品进行了扫描电镜形貌表征，其微观形貌为有序的、垂 直衬底的、线状硅纳米线阵列。化学无电电镀的方式将金属银沉积在硅纳米线阵 列之上，并通过) ( 】m 测试和电学性质测试，形成具有明显整流特性的肖特基接 触。 3 1 硅纳米线的制备 以两寸晶向为 的电阻率范围为o 1 1 0 q c m 双面硅片为衬底，制备硅纳 米线。 1 取4 片两寸硅片进行r c a 标准清洗 r c a 清洗技术具体工艺大致如下【1 1 5 】： 具体清洗过程列于表3 1 ： 步骤清洗溶液清洗温度清洗程度 ld h f室温1 0 分钟 2 d i h 2 0 室温反复冲洗 3s p m 1 2 0 1 0 分钟 4 d i h 2 0 室温 反复冲洗 5a p m 6 0 1 0 分钟 6 d i h 2 0 室温反复冲洗 7h p m8 0 1 0 分钟 8 d i h 2 0 室温反复冲洗 9 丙酮 室温 超声 1 0d i h 2 0室温反复冲洗 表3 1 硅片清洗过程 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 的体积比为 。2 ：鼢= 3 ：1 。该溶液普遍用来进行光刻胶剥离以及硅片表面其它吸附的有 机物，h 2 0 2 在去除有机物的同时硫酸根离子通过与金属形成可溶性化合物而带 走金属。 ，1 华东师范大学硕十学f ? ，论文 s c 1 清洗液( hy d 】r o d 怕血p e r o x i d e rm i x 眦e ，a p 峋：n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 的 体积比为鲫：d 2 ：o = 1 ：l ：5 。s c - l 表示1 号标准清洗溶液，是另一种普遍 用于半导体工业的表面清洗技术。如表2 1 所示。其主要是用来除去硅片表面的 粒子，然后留下覆盖着化学氧化层的表面。h 2 0 2 的作用是氧化表面，而n h 4 0 h 则是刻蚀氧化层。就是这种氧化与刻蚀的循环过程有效地去除粒子留下干净的化 学氧化层。 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 的体 积比为：岛：d = 1 ：1 ：6 。s c - 2 表示2 号标准清洗预处理，用以去除硅片表 面的金属杂质。强氧化剂如h 2 0 2 确保金属氧化成金属离子。h c l 使得所形成的化 合物可以用超纯水冲离晶片表面。 最后用丙酮超声处理，大量的去离子水多次清洗，烘干备用。 2 晶圆单面保护 将r c a 标准清洗过的两寸晶圆放置在鼓风干燥箱内6 0 烘1 小时，待其表面 水分蒸干后取出。选择晶圆一面旋涂光刻胶，把胶均匀地滴在硅片上，然后使硅 片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力的作用由轴心沿径向飞溅出去，但粘附在 硅表面的胶受附着力的作用而被留下。在旋涂过程中胶所含的溶剂不断挥发，故 可得到一层分布均匀的胶膜。胶膜的厚度除与光刻胶液本身的粘度有关外，还与 涂胶时的旋转速度有关，转速越大，胶膜越薄，厚度均匀性也越理想。胶膜的厚 度与涂胶时晶片的旋转速度的平方根成反比 1 1 6 1 。 在我们的实验中，晶圆单面旋涂光刻胶的作用是为了硅片被旋涂了光刻胶的 一面在以下实验中得到保护，另外一面形成硅纳米线阵列，所以光刻胶的要较厚， 达到刻蚀液中保护单面硅的作用，然而又不能过厚，否则会降低光刻胶的粘附性， 容易出现浮胶现象。我们通常在实验中采用3 0 0 0 转分钟的旋转速度。旋涂了光 刻胶的晶圆面朝上，放置在鼓风干燥箱中1 0 0 烘干1 5 小时。 3 硅纳米线生长 在我们的实验中采用了伽伐尼置换法【1 1 7 1 制备纳米线阵列，此方法的具体制 备原理和机制在万丽娟的博士论文【1 1 7 1 中有详细阐述。把单面涂胶的晶圆放入约 5 h f 溶液中浸泡3 秒左右，去除其表面自然氧化层，最终在其表面形成氢的终 止层，表3 2 给出了不同贵重金属相对于标准氢的氧化还原电位。h 中止硅表面的 2 2 华东师范大学硕十学位论文 形成作用在于金属沉积，以便硅纳米线刻蚀过程的进行。 取一定量的硝酸银溶于水，配成1 0 0 r n l 的7 0 i 州a g n 0 3 溶液，用保鲜膜将其 烧杯容器封闭后，超声溶解大于半小时。然后在塑料容器中将氢氟酸稀释，将配 制好的a g n 0 3 溶液加入其中，塑料棒搅拌均匀，配成2 0 0 硼体积比为l ：l 的2 0 h f 和3 5 m ma g n 0 3 混合溶液，作为刻蚀剂。其中刻蚀剂中各成分的作用分别是： 氢氟酸：由于能够刻蚀s i 0 2 ，氢氟酸在刻蚀剂中起主要的刻蚀作用。 硝酸银：得到电子后生成的单质银颗粒，推动反应进行，a g 粒子堆积的位 置、大小、形状决定了纳米线形成的位置及半径大小。 整个反应过程可以用如下式子表示： 彳g + + p j 彳g ( 3 1 ) & + 6 ，一专s f 矿+ 4 p ( 3 2 ) 将形成了氢终止层的硅片放进刻蚀液中，常温下反应一定时间后取出硅片， 用去离子水反复冲洗后，放入硝酸溶液中将表面沉积的a g 粒子反应溶解在溶液 中，浸在溶液中约l o s ，最后用去离子水反复冲洗。 表3 2 不同贵金属的氧化还原电位( 相对于标准氢电位) 金属 ( 单毒怒位) 通过改变实验条件，包括刻蚀剂中氢氟酸( h f ) 的浓度、硝酸银( a g n 0 3 ) 的浓 度以及刻蚀反应的时间，制备出的硅纳米线结构形状有所不同。万丽娟和龚文丽 【1 1 5 ，1 1 7 1 分别在其毕业论文中有详细的研究结果。 3 2a g s i n w s 肖特基二极管制备 1 硅纳米线表面a g 修饰 以上制备的硅纳米线阵列表面需要进行金属a g 的修饰，来形成硅纳米线与 金属a g 的肖特基接触。 2 3 华东师范大学硕士学 江论文 首先将制备好硅纳米线的硅片放入5 h f 溶液里，约3 s 后取出，用去离子水 冲洗，此时的硅纳米线阵列的表面形成了氢终止层。然后将其放入7 0 1 1 1 ma g n 0 3 溶液中约2 0 s 后取出，实验过程中可以观察到生长着硅纳米线的黑色表面变黄变 灰，放入培养皿内1 0 0 干燥箱内烘干。将修饰金属a g 的硅纳米线浸泡在丙酮中， 去除用于保护硅片单面的光刻胶，约l m m 取出，再用酒精浸泡6 0 n 血s ，去除表面 残留的丙酮，去离子水冲洗后6 0 烘干。 刻蚀生长纳米线过程中光刻胶保护的一面通过蒸铝形成欧姆接触，整个样品 进行4 5 0 0 c 氩气保护下退火5 m i i l s ，由此我们将制备的器件结构是一个欧姆接触 ( 州s i ) 和一个肖特基接触( 纠s 武w s ) 的串联，具体的结构示意图请参照图 3 1 。 三蕊震溺溺曩溺溺飘册 l 罐 整。 凑 z镌 渗翁溺； 图3 1a s j n w ss b d s 器件结构示意图 2 a g s i n w s 肖特基二极管的封装 半导体器件的封装在器件性能上具有很重要的作用，尤其对于基于硅纳米线 等纳米级器件而言，其比表面大、表面效应明显，而且易于受到光、热、湿度、 压力等外界因素的影响，干扰其器件的本身性能，对器件的电学性质测试和参数 测定起到阻碍作用，所以针对不同的器件，需要采用合适的封装形式。 本论文中制备的基于a s i n w ss b d ，由于硅纳米线对光的敏感性【引，需要 封装时达到避光的效果；而且其对湿度也较为敏感【1 1 9 】，空气中相对湿度的变化 会影响其整体的介电常数的变化，所以封装要达到隔湿的效果。当然除以上提到 的主要影响因素外，还有很多外界的因素会对此器件的性能产生影响。本实验中 我们采取不锈钢的二极管传统封装形式对器件进行封装。首先将制备的a s 烈、s b d 器件用金刚刀切成o 5 啪o 5 c m 的d i e ，分别在每小片的正反面用银 2 4 华东师范大学硕十学位论文 浆引出导线，并将导线焊接在不锈钢二极管封装的管脚上，并用环氧树脂胶体加 固，最后将二极管的不锈钢盖子盖好，用环氧树脂在周围封闭好，并且标示此器 件的正负极，图3 2 是其封装后的实物图。 图3 2a s i n w s 肖特基二极管器件封装实物图 3 3a g s i n w 扫描电镜测试及x r d 分析 1 扫描电镜形貌表征 扫描电镜( 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 分分析及表层晶体学位向分析等。将3 1 节中制备的硅纳米线阵列通过s e m 扫描 电镜进行形貌分析，分别制备了刻蚀时间为2 0 、4 0 、6 0 i i l i l l 的硅纳米线样品，如 图3 3 中所示，从s e m 形貌表征中可以看到，刻蚀时间在4 0 i n i i l 的纳米线整列样品 呈现较高的均匀性，纳米线长度大概在1 0 肛m 左右，刻蚀时间为2 0 i 血、6 0 i i l i i l 的 纳米线样品均匀性很差。从( a ) 中发现纳米线初步形成，但是刻蚀力度不够，而( c ) 图中的样品明显呈现出过刻蚀的现象，很多纳米线出现倒伏，而且在纳米线的长 度上没有明显的增长。综合以上结果，4 0 m i i l 左右的刻蚀时间是本实验条件下制 备均匀度高、质量高的硅纳米线阵列较为合适的时间参数。 鬈雾，二7 ：$ 榉。鬈舟4 垆雪冬 ，； 口 # ? 9 | ” ? 79 奠蠢：蠢 ，乙? ? + 誓j i ：! 。 ； i 。 一。，# 一 ，m 女“；# 。 鬻攀黪辫静移谚；攀? 睡。苍落，；埝擎 臻纛鳓 ( a )( b )( c ) 图3 3 硅纳米线s e m 扫描电镜图，硅片在刻蚀液中的刻蚀时间分别为：( a ) 2 0 i i 】i n ：( b ) 4 0 i i l i n ； ( c ) 6 0 i l l i n ，秘。荔登弼岛 一荔。 甍暑。 缪 ， ，一一 k “，窘。 。k羹黪辔l 华东师范大学硕士学位论文 根据上面的s e m 扫描结果，我们制备了基于n 硅的、刻蚀时间为4 0 m i i l 的硅 纳米整列，如3 2 节中所述，将制备好的硅纳米线表面通过无电电镀的方式修饰 金属银。修饰了金属银与无修饰的硅纳米线阵列s e m 形貌表征图如图3 4 所示， 可以清晰地看到，金属a g 粒子已经修饰在硅纳米线的顶端，而纳米线之间的位 置未呈现火量的a g 粒子堆积，修饰数量远远小于纳米线的顶端。 ( c ) ( e )( f ) 图3 4 刻蚀时间4 0 i n i n 的硅纳米线s e m 形貌表征：( a ) 放大l 万倍的未修饰金属a g 硅纳米线阵 列顶视图；( b ) 放大l 万倍的修饰金属a g 硅纳米线阵列顶视图；( c ) 放大2 5 0 0 倍的未修饰金属 a g 硅纳米线阵列的顶视图：( d ) 放大2 5 0 0 倍的修饰金属a g 硅纳米线阵列的顶视图；( e ) 放大 3 0 0 0 倍的未修饰金属a g 硅纳米线阵列的剖面图；( f ) 放大3 0 0 0 倍的修饰金属a g 硅纳米线阵列 的剖面图； 2 6 华东师范大学硕士学位论文 2 a g 修饰的硅纳米线阵列m 成分分析 x 一射线衍射分析应用于物相分析，包括单一物相的鉴定或验证或者混合物物 相鉴定；也可应用于晶体结构的分析，包括等效点系的测定、晶体对称性( 空间 群) 的测定或者点阵常数( 晶胞参数) 测定；还可应用于晶粒度测定和晶体定向， 如图3 5 所示为x 射线衍射分析仪结构图。 害枷 要 c 图3 5x 射线衍射分析仪结构图 图3 6 修饰了a g 的硅纳米线x - 射线衍射图谱 将修饰了金属a g 的硅纳米线整列进行成分分析。从衍射图( 图3 6 ) 的 结果来看，图中出现在大约6 9 1 3 0 处的明显衍射峰，参照硅的x 】m 标准谱( j c p d s ， p d f2 7 1 4 0 2 ) 可知，其中2 e 为6 9 1 3 0 时，可对应( 0 0 4 ) 衍射