一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制作方法

本发明属于功能材料的电子显微学表征技术领域，特别涉及一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区及其制备方法。

背景技术：

透射电子显微学技术是一种利用电子束作光源、电磁场作为透镜、用于表征材料表面及内部结构的先进技术。可供透射电镜表征的材料有很多种，有金属材料、非金属材料、小到几十纳米的粉末颗粒、只有几个纳米厚的薄膜、生物等材料。透射电子显微学技术为探究这些材料的结构信息、揭示材料优异性能的结构调节机制、设计和制备具备优异性能的纳米材料和器件以及解释生命的起源提供了可能，具备广泛的应用前景，参见Chun-Lin Jia,KnutW.Urban,Marin Alexe,et al.,Science.331,1420-1423(2011)；Xiao-chenBai,Chuangye Yan,Guanghui Yang,et al.,Nature.525,212-217(2015)。由于透射电镜设备本身改造难度和成本较高，其电子束的穿透能力有限，以及样品表征环境的多样性需求(例如需要在一定高温环境、气体环境、偏压条件进行原位结构的表征)，参见G.Divitini,S.Cacovich,F.Matteocci,et al.,Nature Energy.15012(2015)；JianXie,FangfangTu,Qingmei Su,et al.,Nano Energy.5,122-131(2014)，所以制备出好的透射电镜样品及设计出先进的样品台载样区成为了透射电镜表征结果好坏的关键因素之一。

为了使电子束穿透材料样品、进而成为携带样品信息的透射电子束，需要将被表征的材料制备成对电子束透明(厚度小于50nm)、表面平整、稳定、易于放置、耐电子束轰击、不易挥发、不失真、无放射性的样品。不同的材料，制备适于电镜表征样品的方式也不相同。目前的制备方法有机械研磨减薄、电解液双喷减薄、离子减薄、聚焦离子束切割加工减薄等。但对于透射电镜表征材料的多样化特点，以上方法并不能完全满足，例如，对于场效应晶体管(利用电场效应控制电路通道中电流的一种半导体器件)材料，它们所在的晶体管尺寸一般比较大，对电子束不透明，而电镜样品通常被要求为直径不大于3mm、或者附着在直径大小为3mm的载网上，其中能被电子束穿透的区域的厚度为50nm以下。若采用前述所提方法对晶体管材料制备透射电镜样品，就必须把这些材料从晶体管中取出来，这样就会使得它们离开晶体管的工作环境、无法体现原本的性能，进而无法将它们的结构和性能直接联系起来。因此，研发能够配合材料组成晶体管环境的样品台或者样品台载样区就显得尤为重要了。

为了保证在研究材料的结构时使其处在真实存在或者工作环境中，DENSsolution、Fischione、FEI等国外公司正致力于开发设计出特殊的透射电镜样品台或其载样区。目前，它们已开发设计出多种的载样区及配合使用的样品台，例如原位加热(参见KRPatent:KR20120068496)、原位应力拉伸、原位气体环境、原位液体环境(参见USPatent:WO2013KR10219)、原位偏压-加热等载样区及配套的样品杆，参见Jens Kling,Christian D.Damsgaard,Thomas W.Hansen&Jakob B.Wagner,ScienceDirect.99,261-266(2016)。这些新型载样区和样品台的开发设计，极大地促进了透射电子显微学原位技术的发展，促使人们可以研究温度、应力、气体环境、液体环境、偏压环境对材料样品结构的直接影响。其中的偏压载样区是在透射电镜中利用导电电极给样品材料的两端加电压，从而在用透射电镜表征样品的内部结构的同时测量样品的V-I曲线(即伏安曲线)。但对于场效应晶体管的材料，这种载样区及前述其它载样区和样品台并不能提供电场效应以营造晶体管工作环境，进而无法利用透射电镜探究该类材料在晶体管工作环境下的结构变化及结构—性能关系。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区及其制备方法，本发明可以使载样区与样品构成一个在透射电镜中具备场效应功能的晶体管器件，通过加栅极电压(亦即门极电压)可以使该晶体管实现工作的状态；并且通过晶体管内部的空隙，可以使电子束穿透要表征的样品，在晶体管工作的同时实时监控样品的结构变化、从而研究样品的结构和其晶体管性能之间的关系。此样品台载样区并不局限于表征半导体材料，还可以用于判断导电材料是否是金属性，并测量其V-I曲线，同时获取其实时结构的变化；也可以表征绝缘材料，在测量其击穿电流的同时，获取结构变化。

本发明的技术方案：

一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，包括探针区域和空白区域，其中空白区域没有晶体管，只是覆盖有SiO₂为绝缘层的Si衬底，目的是为了方便夹取、移动载样区；探针区域包括不少于1个的探针，每个探针包括依次排列的不少于1个的场效应晶体管，每个场效应晶体管以Si为基底材料，SiO₂作为绝缘层覆盖在Si基底层表面，栅极G位于Si基底层底部中心，源极S和漏极D位于SiO₂绝缘层的上部，源极S与漏极D之间为沟道区，沟道区内放置待表征样品；所述源极、漏极和栅极的材料为Pt、Al、Cu、Au或多晶硅。

所述透射电镜样品台载样区为矩形，边长为1-15mm、厚度为0.1-2mm；Si基底层厚度为0.1-2mm；SiO₂绝缘层的厚度为10-1000nm；切割出的探针长度为载样区对应边长的1/3-2/3，剩余部分作为空白区域用于方便移、取载样区；探针上场效应晶体管的表面为边长为10-150μm的矩形；刻蚀后沉积的源极S、漏极D、栅极G的尺寸不超过50μm，深度不超过Si基底层或SiO₂绝缘层的厚度；源极和漏极之间的沟道区宽度为0.1-70μm，源极和漏极之间的距离要大于沟道区宽度，以保证有氧化层覆盖在源极和漏极周围。

一种所述具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备方法，包括如下步骤：

1)在Si基底层上加热生长一层10-1000nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；

2)用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为0.1-70μm；

3)刻蚀出一排排的源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口，源极和漏极之间的空隙为0.1-70μm，每一排电极占整个载样区边长的1/3-2/3；

4)在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积金属电极，作为源极、漏极和栅极三个电极，制得载样区；

5)用金刚石锯将上述含有电极的载样区部分切割成探针，不含电极部分作为空白区域以方便移、取载样区；

6)将上述制得的探针通过超声波震荡或氧气等离子体的方法清洗后，制得透射电镜样品台载样区。

经过上述步骤可以制得的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，然后将需要表征的样品搭在载样区的源、漏极之间，形成晶体管的导电沟道，这样就构成具备场效应功能的晶体管。

本发明的工作机理：

需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)(以CNT样品为例，也可以是其他半导体材料)搭在本发明的透射电镜样品台载样区上，并悬在源极S和漏极D之间、形成晶体管的沟道区，通过给栅极G加压，就可以对碳纳米管施加电场效应、使其处于晶体管工作的状态；由于碳纳米管本身很细，加上周围没有其它材料遮挡，就可以在晶体管工作的同时利用透射电镜进行结构表征了。

本发明的优点是：

将需要透射电镜表征的样品的两端分别与载样区的源极和漏极相连，同时，载样区提供与样品相距有空隙的山脊，从而构成具备场效应的晶体管，因而不必花高额的设计成本和精力用于改造透射电镜本身的功能，也实现了偏压载样区所不具备的场效应功能，使得透射电镜能够实时的表征材料在晶体管正常工作状态下的结构变化。

附图说明

图1是包含有5个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的光学照片。

图2是将图1中的探针掰下、包裹在透射电镜微栅中的光学照片。

图3(a)为图1中载样区的扫描电镜形貌像，(b)为图(a)中探针上矩形框所示区域的高倍扫描电镜形貌像。

图4(a)为具备场效应晶体管功能的透射电镜载样区的俯视结构示意图；(b)为4(a)图中虚线框内所示的晶体管的侧面结构示意图，图中：S代表源极的位置，D代表漏极的位置，G代表栅极的位置。

图5(a)为在探针上的晶体管中放入一根碳纳米管(CNT)的扫描电镜形貌像，其中的S、D、G是源极、漏极、栅极的简记；(b)为另一个晶体管中放入CNT后的扫描电镜形貌像，其中的插图是CNT的放大像(该CNT为三壁碳纳米管，又可简记为TWNT)。

图6为将图5a中的需要表征的半导体性双壁碳纳米管(CNT)经图2所示处理后放入透射电镜中表征得到的高分辨透射电镜像。

图7为将图5b中的需要表征的半导体性三壁碳纳米管(CNT)经图2所示处理后放入透射电镜中表征的到的高分辨透射电镜像。

图8为图7中需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)被晶体管结构测得的电学性能曲线。

具体实施方式

通过以下实施例来进一步说明本发明。实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。

实施例1：

基于尺寸为10mmX10mm、Pt电极、5个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备：

用浓度为98％的酒精溶液清洗Si基底表面，再用高纯氮气吹干净，用加热生长的方法，在其表面生长一层80nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为2μm；刻蚀出源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口；在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积Pt电极，作为源极、漏极和栅极这三个电极；用金刚石锯将载样区切割成探针，获得如图1、3、4和5所示的探针结构，每个探针上有场效应晶体管结构；使用化学气相沉积方法在探针中的晶体管上直接生长需要表征的半导体性三壁碳纳米管(CNT)，如图5所示；将探针从Si片掰下，用透射电镜微栅包住，如图2所示，这样的探针及其上的场效应晶体管、需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)就可以放入透射电镜中进行表征。

图6和7是图5a和5b中的场效应晶体管及其CNT放入透射电镜中后获得的CNT的高分辨透射电镜照片，从而展示CNT的结构，同时可以用场效应晶体管结构测得需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)的晶体管电学性能曲线，如图8所示，图中表明：随着栅极电压的改变，源极和漏极之间的电流能发生显著的变化。这样就可以进而分析CNT的结构和电学性能之间的关系。

实施例2：

基于尺寸为5mmX5mm、Cu电极、3个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备：

用浓度为98％的酒精溶液清洗Si基底表面，再用高纯氮气吹干净，用加热生长的方法，在其表面生长一层70nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为6μm；刻蚀出源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口；在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积Cu电极，作为源极、漏极和栅极这三个电极；用金刚石锯将载样区切割出3个探针，每个探针上有多个场效应晶体管结构；使用化学气相沉积方法在探针中的晶体管上直接生长被表征的材料；将探针从Si片掰下，用透射电镜微栅包住，这样的探针及其上的场效应晶体管、需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)就可以放入透射电镜中进行表征。

实施例3：

基于尺寸为6mmX6mm、Au电极、4个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备：

用浓度为98％的酒精溶液清洗Si基底表面，再用高纯氮气吹干净，用加热生长的方法，在其表面生长一层60nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为8μm；刻蚀出源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口；在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积Au电极，作为源极、漏极和栅极这三个电极；用金刚石锯将载样区切割出4个探针，每个探针上有多个场效应晶体管结构；使用化学气相沉积方法在探针中的晶体管上直接生长被表征的材料；将探针从Si片掰下，用透射电镜微栅包住，这样的探针及其上的场效应晶体管、需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)就可以放入透射电镜中进行表征。

实施例4：

基于尺寸为3mmX3mm、Al电极、2个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备：

用浓度为98％的酒精溶液清洗Si基底表面，再用高纯氮气吹干净，用加热生长的方法，在其表面生长一层50nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为10μm；刻蚀出源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口；在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积Al电极，作为源极、漏极和栅极这三个电极；用金刚石锯将载样区切割出2个探针，每个探针上有多个场效应晶体管结构；使用化学气相沉积方法在探针中的晶体管上直接生长被表征的材料；将探针从Si片掰下，用透射电镜微栅包住，这样的探针及其上的场效应晶体管、需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)就可以放入透射电镜中进行表征。

实施例5：

基于尺寸为8mmX8mm、多晶硅电极、4个探针的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备：

用浓度为98％的酒精溶液清洗Si基底表面，再用高纯氮气吹干净，用加热生长的方法，在其表面生长一层40nm厚的SiO₂绝缘层，形成覆盖有SiO₂氧化层的Si片衬底；用光刻和刻蚀将SiO₂绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为12μm；刻蚀出源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口；在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积多晶硅电极，作为源极、漏极和栅极这三个电极；用金刚石锯将载样区切割出4个探针，每个探针上有多个场效应晶体管结构；使用化学气相沉积方法在探针中的晶体管上直接生长被表征的材料；将探针从Si片掰下，用透射电镜微栅包住，这样的探针及其上的场效应晶体管、需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)就可以放入透射电镜中进行表征。