基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法

摘要

一种纳米器件技术领域的基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法，通过在硅片上采用标准的光刻和lift-off工艺制作出电极对，然后将碳化硅纳米线分散于溶剂中经进行低温超声分散得到稳定的碳化硅纳米线溶液，在电极对上施加交流信号电压后，将碳化硅纳米线溶液滴在电极对之间，使纳米线在电场力和力矩的作用下实现定向排布。本发明通过简单、方便、高效的工艺方法，实现碳化硅纳米线在电极间的定向排布。

权利要求

1.一种基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，电极制备：在硅片上采用标准的光刻和lift-off工艺制作出电极对；

第二步，SiC纳米线溶液制备：将SiC纳米线分散于溶剂中经进行低温超声分散得到稳定的SiC纳米线溶液；

第三步，SiC纳米线的介电泳排布：在电极对上施加交流信号电压后，将SiC纳米线溶液滴在电极对之间，使纳米线在电场力和力矩的作用下实现定向排布；

所述的硅片为生长有绝缘层的硅片，所述的绝缘层为二氧化硅、氮化硅或氧化铝；

所述的电极对为Au、Al、Ti、Ni、Pd、Pt、W或Cu制成；

所述的电极对之间的距离为0.1～15μm，电极对中电极的宽度为1～1000μm；

所述的溶剂为：乙醇、异丙醇或N，N-二甲基甲酰胺中的一种；

所述的低温超声分散是指：在5～15℃环境下进行超声分散处理；

所述的交流信号电压的频率为10khz～10Mhz之间，在电极对之间形成的电场为2～

20V/μm。

说明书

基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种纳米器件技术领域的方法，具体是一种基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法。

背景技术

[0002] 宽带隙半导体材料碳化硅(SiC)具有高击穿电场(2×106V/cm)、高热导率(4.9W/7
K·cm)、高饱和漂移速度(2×10cm/s)，以及良好的物理和化学稳定性，特别适合于制造高温大功率器件，SiC基器件能够在600℃的高温环境下正常工作，这是硅基器件无法做到的(Si基器件的最高工作温度为150℃)。同时，随着纳米科技的发展，研究发现基于一维纳米结构的电子器件，在很多方面都优于常规器件，如尺寸小、功耗低、灵敏度高、工作速度快等。因此，基于一维SiC纳米结构的电子器件因具备材料和结构等优异特性，是目前纳电子学发展的主要方向，尤其在高温大功率等极端环境下工作的纳米线场效应晶体管(NWFETs)是近年来的研究热点。而如何实现纳米线的精确定向排布是制备NWFETs的关键所在。

[0003] 经过对现有技术的检索发现，目前报道的SiC NWFETs主要由搭在源极和漏极间的单根纳米线构成，实现SiC纳米线排布所用的具体方法有两种，如Zhou，W M，et al. Field-EffectTransistor Based onβ-SiC Nanowire.IEEE Electron Device Letters，2006，27(6)：463～465(周伟民，等.基于β-SiC纳米线的场效应晶体管.IEEE电子器件快报，2006，27(6)：463～465)中记载了将一定浓度的含有SiC纳米线的溶液滴在预先刻有源极和漏极的硅片上，找到搭在两电极间的单根纳米线。这种方法虽然简单，但纳米线随机取向，很难实现定向有序排列，并且具有很大的偶然性，需要在大量电极中，才有可能找到排布有单根纳米线的电极对。

[0004] 另外，Rogdakis K，et al.3C-Silicon Carbide Nanowire FET：An Experimental andTheoretical Approach.IEEE Transactions on Electron Device，2008，55(8)：1970-1976(康斯坦丁诺斯·罗萨基斯，等.3C-SiC纳米线场效应晶体管：实验和理论研究.IEEE电子器件汇刊，2008，55(8)：1970-1976)中记载了一种技术，先将一定浓度的SiC纳米线溶液滴在硅片上，然后找到合适的纳米线，利用电子束光刻技术在该纳米线两端制作出源极和漏极。此方法容易得到单根纳米线FETs，但寻找合适的纳米线比较耗时，并且要用到电子束光刻设备，工艺复杂，设备昂贵。

[0005] Oh K，et al.Fluid flow-assisted dielectrophoretic assembly of nanowires.Langmuir，2007，23(23)：11932-11940(吴基锡，等.纳米线的流体辅助介电泳组装.朗缪尔，2007，23(23)：11932-11940)中记载了：将微流体和介电泳技术相结合，实现了SiC纳米线的定向排布，但此方法也存在实验设备复杂，操作难度大等缺点。可见，有必要发展一种工艺和设备简单、成本低廉、操作方便、高效的SiC纳米线定向排布技术，这将是制备高性能高温大功率SiCNWFETs的关键。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于介电泳技术的碳化硅纳米线定向有序排布方法，通过简单、方便、高效的工艺方法，实现SiC纳米线在电极间的定向排布。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

[0008] 第一步，电极制备：在硅片上采用标准的光刻和lift-off工艺制作出电极对。

[0009] 所述的硅片为生长有绝缘层的硅片，所述的绝缘层为二氧化硅、氮化硅或氧化铝；

[0010] 所述的电极对为Au、Al、Ti、Ni、Pd、Pt、W或Cu制成。

[0011] 所述的电极对之间的距离为0.1～15μm，电极对中电极的宽度为1～1000μm。

[0012] 第二步，SiC纳米线溶液制备：将SiC纳米线分散于溶剂中经进行低温超声分散得到稳定的SiC纳米线溶液。

[0013] 所述的溶剂为：乙醇、异丙醇或N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种；

[0014] 所述的低温超声分散是指：在5～15℃环境下进行超声分散处理；

[0015] 第三步，SiC纳米线的介电泳排布：在电极对上施加交流信号电压后，将SiC纳米线溶液滴在电极对之间，使纳米线在电场力和力矩的作用下实现定向排布。

[0016] 所述的交流信号电压的频率为10khz～10MHz之间，在电极对之间形成的电场为2～20V/μm

[0017] 本发明的工作原理是：SiC纳米线在非均匀交变电场中发生极化，极化的纳米线会受到电场力和力矩的作用，电场力的作用使纳米线发生平移，而力矩的作用效果是使纳米线转动到电场的方向。这样，在电场力和力矩的共同作用下，就实现了SiC纳米线在两电极间的定向排布。

[0018] 本发明的有益效果是：利用在两电极间定向排布的SiC纳米线可以制备由单根纳米线、多根纳米线以及纳米线薄膜作为沟道的高性能高温大功率用SiC NWFETs。

附图说明

[0019] 图1是本发明实施例1的SiC纳米线排布的扫描电镜图片。

具体实施方式

[0020] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0021] 实施例1

[0022] 将SiC纳米线放入乙醇中，并进行低温(13℃)超声分散3小时，得到稳定的SiC纳米线溶液，其浓度为0.3μg/μl。

[0023] 在生长有400nm厚的二氧化硅绝缘层的硅片上，采用标准的光刻和lift-off工艺制作出平行相对的Au电极，其间距为1.5μm，电极宽度为100μm。在两电极间施加一个频率为5MHz，峰-峰值为12V的交流电压。将SiC纳米线溶液滴在两电极间，这样在交变电场的作用下纳米线就定向排布在了两电极间(如图1所示)。将介电泳后的电极放入乙醇中浸泡10分钟，然后进行超声处理5分钟(超声功率20W)，以去除电极表面的杂质，最后将其放入恒温干燥箱中，在60℃条件下烘干10分钟。

[0024] 实施例2

[0025] 将SiC纳米线放入异丙醇中，并进行低温(8℃)超声分散3小时，得到稳定的SiC纳米线溶液，其浓度为0.51μg/μl。

[0026] 在生长有400nm厚的二氧化硅绝缘层的硅片上，采用标准的光刻和lift-off工艺制作出平行相对的Au电极，其间距为5μm，电极宽度为100μm。在两电极间施加一个频率为1MHz，峰-峰值为50V的交流电压。将SiC纳米线溶液滴在两电极间，这样在交变电场的作用下纳米线就定向排布在了两电极间，将介电泳后的电极放入异丙醇中浸泡10分钟，然后进行超声处理5分钟(超声功率30W)，以去除电极表面的杂质，最后将其放入恒温干燥箱中，在80℃条件下烘干10分钟。