一种调控半导体纳米线场效应晶体管阈值电压的方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于晶体管阈值电压调控技术领域，涉及一种调控半导体纳米线场效应晶体管(NWFET)阈值电压的方法，特别是一种利用金属氧化物半导体纳米颗粒调控II1-V族及金属氧化物半导体NWFET阈值电压的工艺，能广泛用于高性能传感器、探测器、光电子器件等领域。
【背景技术】
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[0002]随着纳米技术的发展，一维半导体纳米材料已成为人们研究的热点。半导体纳米线与其块材相比具有许多优势，例如:纳米线由于其尺寸小，不仅可以极大地节约材料成本，提高材料的利用效率，而且能够有效地提高器件的组装密度;构造纳米尺度的径向与轴向p-n，p-1-η异质结可以提高纳米线光伏器件的转换效率(J.Wallentin，N.Anttu，D.Asoli,etal.,InP nanowire array solar cells achieving 13.8%efficiency byexceeding the ray optics limit，Science，339,1057(2013));另外，把半导体材料降低到纳米晶尺寸后其力学柔韧性会大幅度提高，使得他们能成为未来柔性电子工业领域的理想材料之一(N.Han,Z.X.Yang1F.Y.Wang,etal.,High-Performance GaAs Nanowire SolarCells for Flexible and Transparent Photovoltaics,ACS Appl.Mater.1nterfaces,7,20454(2015)) <JI1-V族以及金属氧化物半导体纳米线由于具有合适的禁带宽度、较高的电子迀移率、较大的载流子浓度等特性，被认为是应用于下一代电子器件、显示器、化学及生物探测器等领域的最有希望的沟道材料之一。在各种应用中，半导体纳米线场效应晶体管(NWFET)是制作下一代高效器件的基础元件，大多数NWFET由于其自由电子密度较高表现为耗尽型。在栅极电压为零时，增强型场效应晶体管(FET)处于关闭状态，而耗尽型场效应晶体管(FET)却存在一定的电流，要想关闭其通道，必须施加一个栅极电压。虽然增强型和耗尽型FET都是电子电路中必须的组件，但是增强型FET由于功耗很低，栅偏电压的极性与漏极电压相同等特点，比较受青睐。因此实现NWFET电学性能的调控是半导体纳米线成功运用于高性能电子、光电子及探测器等领域的决定性因素。
[0003]为了控制NWFET的工作模式，目前已经开发了几种不同的工艺以控制NWFET的阈值电压，例如，通过控制ZnO纳米线的表面形貌以产生不同的表面电子陷阱密度，从而调控自由载流子的密度，最终可以获得增强型和耗尽型的FET (W.K.Hong，J.1.Sohn，D.K.Hwang，etal.,Tunable Electronic Transport Characteristics of Surface-Architecture-Controlled ZnO Nanowire Field Effect Transistors,Nano Lett.,8,950,(2008))；Liao等利用金属掺杂Ιη2θ3纳米线来补偿纳米线中的氧空位，从而减少纳米线中载流子的密度，使得NWFET的阈值电压朝正电压方向移动，最终获得增强型NWFET (X.M.Zou，J.L.Wang，X.Q.Liu,etal.,Controllable Electrical Prop erties of Metal-DopedIn20sNanowires for High-Performance Enhancement Mode Transistors,Nano Lett.,13 ,3287(2013) );Tom1ka等利用具有较高功函数的金属包裹纵向结构InGaAs NffFET的栅极，成功地调控了该器件的阈值电压(K.Tom1ka，M.Yoshimura , T.Fukui ,A II1-VNanowire Channel on Silicon for High-Performance Vertical Transistors,Nature，488，189(2012))，然而复杂的栅极结构会限制该元件在电子器件、传感器以及其它领域的应用;Han等利用具有不同功函数的金属纳米颗粒修饰InAs、InP、InGaAs纳米线的表面，成功地实现了 II1-V族纳米线阈值电压调控，获得了耗尽型和增强型NWFET，并将它们组装在一起得到了 高效的η型反向器(N.Han ,F.Y.Wang, J.J.Hou, etal.,Tunable ElectronicTransport Properties of Metal-ClusterDecorated II1-VNanowire Transistors,Adv.Mater.,25,4445(2013));但是金属纳米颗粒在空气中不稳定，需要在纳米线的表面沉积一层20nm的Al2O3保护层，然而Al2O3层将限制该类器件在传感器、探测器等领域的应用；Cheung等近期分别利用芳香硫醇盐单分子层修饰InAs纳米线的表面，该单分子层不仅可以钝化InAs纳米线的表面态从而提高其电子迀移率，而且具有供电子和吸电子基团的芳香硫醇盐还可以分别调控InAs NffFET阈值电压分别向正电压和负电压方向移动(H.Y.Cheung，
S.P.Yip,N.Han,etal.,Modulating Electrical Properties of InAs Nanowires viaMolecular Monolayers,ACSNano,9,7545(2015))；然而，芳香硫醇盐单分子层吸引InAs纳米线中自由电子的能力有限，仅可将InAs NWFET的阈值电压向正向移动1.5V，较难得到增强型FET;此外，由于芳香硫醇盐在空气中不能长期稳定存在，该分子层修饰后的器件其阈值电压不能在空气中长时间保持不变。因此，开发一种简便、易行、高效的工艺以调控NWFET阈值电压以及纳米线阵列场效应晶体管(NW Array FET)阈值电压，从而构造增强型和耗尽型的NWFET，并使其稳定存在具有十分重要的意义。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种调控半导体纳米线场效应晶体管阈值电压的方法，采用金属氧化物半导体纳米颗粒修饰一维半导体纳米材料表面，达到简便、高效地调控II1-V族及金属氧化物NWFET、NW Array FET的阈值电压，以获得增强型和耗尽型的NWFET和NW Array FET0
[0005]为了实现上述目的，本发明调控半导体纳米线场效应晶体管阈值电压的具体工艺步骤为:
[0006](I)先将制备好的II1-V族及金属氧化物纳米线分散在无水乙醇中，超声分散均匀；
[0007](2)通过低落涂布法将一维半导体纳米材料分散在表面覆盖50nm S12介电层的p型重掺杂硅片上，该硅片作为半导体纳米线场效应晶体管(NWFET)的背栅极；
[0008](3)将制备好的II1-V族及金属氧化物纳米线通过接触印刷法转移到表面覆盖50nmSi02介电层的P型重掺杂娃片上得到纳米线阵列，该娃片作为纳米线阵列场效应晶体管(NW Array FET)的背栅极；
[0009](4)采用光刻工艺在半导体纳米线场效应晶体管(NWFET)的背栅极或纳米线阵列场效应晶体管(NW Array FET)的背栅极上制备源、漏电极的光刻胶图形，然后通过热蒸发、电子束蒸发或真空溅射镀膜的方法蒸镀金属薄膜作为源、漏电极，通过金属剥离工艺去除不需要的光刻胶和金属薄膜，制备得到半导体纳米线场效应晶体管(NWFET)或纳米线阵列场效应晶体管(NW Array FET)；
[0010](5)分别选择与II1-V族及金属氧化物纳米线具有不同功函数的金属氧化物半导体材料或金属氧化物所对应的金