[发明专利]顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体材料、器件技术领域，尤其涉及一种顶栅ZnO多纳米线场效应晶体管的制作方法。

背景技术

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的新型多功能化合物半导体材料，被称为第三代宽禁带半导体材料。ZnO晶体为纤锌矿结构，禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能约为60meV。ZnO具备半导体、光电、压电、热电、气敏和透明导电等特性，在传感、声、光、电等诸多领域有着广阔的潜在应用价值。

近年来，对ZnO材料和器件的研究受到广泛关注。研究范围涵盖了ZnO体单晶、薄膜、量子线、量子点等材料的生长和特性以及ZnO传感器、透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、探测器及发光二极管(Light-emitting Diodes，缩写LED)等器件的制备和研究方面。目前，已形成多种方法用于ZnO材料的生长，并且研制出若干种类的ZnO器件及传感器，但是P型ZnO材料的生长，ZnO纳米器件的制备及应用等问题依然需要深入和系统的研究。

ZnO是目前拥有纳米结构和特性最为丰富的材料，已实现的纳米结构包括纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳、纳米管等。其中，一维纳米线由于材料的细微化，比表面积增加，具有常规体材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，晶体质量更好，载流子的运输性能更为优越。一维纳米线不仅可以实现基本的纳米尺度元器件(如激光器、传感器、场效应晶体管、发光二极管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等)，而且还能用来连接各种纳米器件，可望在单一纳米线上实现具有复杂功能的电子、光子及自旋信息处理器件。

ZnO纳米线场效应晶体管(Nanowire Field-Effect Transistor，NW FET)已成为国际研究的热点之一。ZnO一维纳米线作为沟道，与栅氧和栅金属可以形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。由于ZnO纳米线的电学性能随周围气氛中组成气体的改变而变化，比如未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有优越的敏感性，因此能够对相应气体进行检测和定量测试。这使得ZnO一维纳米线场效应晶体管可以用于气体、湿度和化学传感器、光电和紫外探测器、存储器(Memory)等应用领域。尤其是能够对有毒气体(如CO、NH₃等)进行探测，通过场效应晶体管的跨导变化，即可检测出气体的组成及浓度。与常规SnO₂气体传感器相比，基于ZnO纳米线场效应晶体管的气体传感器具有尺寸小，成本低，可重复利用等优点。

综上所述，ZnO纳米线场效应晶体管的研制在纳米电子学和新型纳米传感器方面具有重要的研究和应用价值，将会对国民经济的发展起到重要的推动作用。

但是，近年来国际上多数研究成果都是针对ZnO单纳米线FET器件及其应用，器件工作电流较小，研制ZnO多纳米线沟道FET的报道较少，器件性能还有待于进一步提高。考虑到现有报道ZnO纳米线FET器件的开态工作电流较低，成为实际应用的主要技术瓶颈之一，因此高开态工作电流的ZnO纳米线FET器件是目前ZnO纳米器件的一个重要研究方向。

如何提高器件电流需要重点研究。首先，将多根纳米线作为并联沟道是一种可行的技术方案，并已成功应用于碳纳米管FET和Si纳米线FET的制作。如果将多根ZnO纳米线作为并联沟道，则能够大幅度提高ZnO纳米线FET的电流、跨导、截止频率等器件性能以及紫外传感性能。其次，一般ZnO纳米线FET是将ZnO纳米线转移到衬底表面上，整根纳米线的下表面与介质相接触，如果将作为沟道的ZnO纳米线悬浮于空中，则使得部分纳米线的下表面积也可以与外部环境接触，有利于提高器件的紫外、气体、化学传感性能。另外，与在衬底下面制作背栅电极不同，将栅氧介质和栅电极制作在纳米线的上面，形成顶栅结构的金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)FET，则可以增强栅电极调控能力，将进一步提高器件性能；并且顶栅FET结构能够分别控制每一个ZnO纳米线FET，而同一衬底上的背栅FET器件共用一个背栅电极，所以无法有效的控制单个FET。因此，高性能顶栅ZnO多纳米线沟道的FET器件对于大电流应用是一个理想的选择。

发明内容

(一)要解决的技术问题