硅纳米线温度传感器及其特点

硅纳米线温度传感器及其特点 摘要 利用气液固相法（VLS）制备硅纳米线（SiNWs），结晶的方向和结构良好，用旋涂 (SOD)法进行非原位n型掺杂。非原位掺杂过程中使用基于固态扩散的SOD技术，该SOD技术分为涂层和驱动两个步奏。我们对含磷的硅纳米线在适当的温度和时间下进行研究，本实验取950℃保持5到60分钟。掺杂的纳米线很容易做成一个具有良好分辨率和响应速度的温度传感器。对不同掺杂浓度的SiNWs温度传感器的校准工作已经完成。本实验测定浓度为 的SiNWs传感器具有最好的分辨率（6186Ω/℃）和灵敏度。 关键词- SiNWs；VLS合成；非原位掺杂；SOD；温度传感器 I  背景 目前，硅是电子器件的重要。材料和工具的创新，通过“自上而下”的制造方法使电子器件的尺寸不断减小。随着尺寸的减小，“自上而下”的制造流程会出现越来越多的问题；因此，“自下而上”的制造方法更具指导意义。一维的纳米结构就是采用“自下而上”的制造方法。一维纳米结构材料硅纳米线和碳纳米管，是常用的研究纳电子学的材料，因为它们的形态、尺寸和电子的特性比整块材料优越。然而，碳纳米管材料在合成金属或半导体纳米管的控制，半导体纳米管掺杂的控制，限制了碳纳米管材料的应用。VLS制备的半导体纳米线，可以克服碳纳米管的局限性。硅纳米线(SiNWs)作为活性物质具有研究意义,因为硅纳米线可以把一维输运和传统的成熟的Si工艺制造流程组合在一起。因此，硅纳米线被认为是场效应晶体管，传感器件，光学器件等纳米电学材料的重要组成部分。 此外，硅掺杂源的选择和掺杂浓度的控制，已经在传统的集成电路工艺（固体扩散，离子注入等）中被广泛研究。然而，硅纳米线主要是在VLS法中的气相过程进行原位掺杂。但是，原位掺杂生成的硅纳米线结构难以控制；例如,常用的掺杂剂气体乙硼烷，在VLS法中用于生长SiNWs硅烷气体，会导致侧壁线额外的生长；乙硼烷浓度过高会导致非晶硅壳周围形成晶体SiNWs；这些因素会导致SiNWs轴方向的掺杂不均匀。非原位掺杂与SiNWs生长的掺杂过程分开，避免了因SiNWs侧壁生长导致掺杂剂的变化或SiNWs结构的变化。非原位扩散使用旋涂法（SOD），在硅工艺上是十分成熟的。这种方法曾在VLS法进行磷掺杂生成SiNWs实验中简单介绍过。对SiNWs进行非原位掺杂，最适合用固态旋涂法控制掺杂物，而且对硅纳米线和硅晶结构造不成损害。适当温度和时间下的固态扩散决定了SiNWs的数量。 本实验中，通过旋涂法对VLS法生长的SiNWs晶体进行非原位掺杂时，要先进行退火处理。SiNWs与不同的方向衬底结合起来； 非常有益于通过传统集成电路制造流程，制造高分辨率、高灵敏度的温度传感器。SiNWs温度传感器的特性在实验中测量和。 II传感器的制造和实验 首先，通过VLS法并利用金作催化剂在硅基板上生成SiNWs。在洁净的p衬底（111方向）涂金膜，然后加热使金膜蒸发溅射到纳米颗粒上形成金纳米线。基底形成一个低压化学沉淀体系，生成SiNWs。SiNWs 在300mtorr压强SiH4/H2气体的比例为100/400，经过620℃保持240分钟生长而成；然后用HF/H2O=1/50的氢氟酸溶液清洗硅纳米线周围的氧化层。在200kev下用JEOL JEM-2100F透射电子显微镜（TEM）观察和在10kev下用JEOL JSM-7001扫描电子显微镜（SEM）成像分析SiNWs。SiNWs样本悬挂在TEM铜网和多孔碳膜上进行观察。 然后，在硅衬底（100）处，100nm厚氧化层上生长SiNWs，制成温度传感器。简单的通过压SiNWs衬底（使纳米线的表面向下），硅衬底（100）方向顶部，使SiNWs衬底沿一个方向下滑完成转向过程。SiNWs能被截断，并且在衬底（100）在某个方向成良好的线性；如图1a所示，这是由于硅纳米受到特定方向的冲压和滑动。通过光学显微镜可以观察和辨别单个纳米线的位置；由于纳米线较长，可以从显微镜下清楚地观察到。然后通过光刻制造出的电极连接每个硅纳米线；构造一个500nm厚， 500×500μm大小的AI电极；电极之间间隔5μm。由于AI层很薄，纳米线经过镀铝和光刻胶处理后，在显微镜下仍能清晰的观察出来，如图1b。每个电极与硅纳米线通过合适的连线连接。在单位光掩膜版上有40个电极，而平均大约只有10个电极与硅纳米线相连。 紧接着用热散射过程对SiNWs进行旋涂掺杂，掺杂后退火处理，旋涂源由Emulsitone公司提供。旋涂掺杂的磷源的“磷膜”密度 ；旋涂磷源以每30s/3000rpm的转速在SiNWs表面旋涂，然后再110℃下烘烤15分钟，除去磷膜上多余的溶剂。然后，在石英炉中加热到950℃，烘烤10到60分钟，使磷掺杂到SiNWs中。SiNWs通过500nm厚的AI电极传输电信号，实验用Suss MicroTec MA 150CC光刻机进行光刻。AI电极与电压表连接，然后就能测量SiNWs温度传感器的温度特性。通过把传感器放进温度箱，用NetDAQ数据采集系统进行校准。 Ⅲ  结果及讨论 制备宽度为100到200纳米，长度为18到22μm在硅晶111方向的SiNWs；图2a是在透射电子显微镜下观测的；图2b是SiNWs的电子衍射图像。图3是SiNWs温度传感器的扫描电子显微镜图像，揭示了SiNWs温度传感器的原理。　单个磷掺杂SiNW温度传感器单元， SiNW和AI电极通过沉积铝薄膜与纳米线接触，传感器阻值会非常低。 SiNW的掺杂率，通过的硅电阻率与磷浓度的关系式得出；由SiNWs的掺杂浓度，可以得出SiNWs的掺杂浓度随扩散时间的增加而增加。在950℃下扩散5到60分钟，形成3种掺杂浓度SiNWs，如表1所示。硅纳米线在5,10,60分钟下的掺杂浓度为 ， ， 。 图4掺杂浓度为 的SiNW温度传感器的温度特性；温度传感器的阻值与温度（30~100℃）呈线性变化；通过计算可以得出传感器的分辨率为6186Ω/℃。电阻的温度系数（TCR，α）由下面的计算式得出： 其中R1，R2是传感器在T1，T2温度下的阻值，计算得出TCR为 。 由图5得出，不同的掺杂浓度的SiNW温度传感器具有不同温度特性；随着掺杂浓度的增加，传感器的分辨率下降。掺杂浓度还可以影响SiNW温度传感器的TCR；表II是不同掺杂浓度下SiNW温度传感器的TCR；当掺杂浓度从 增加到 时，传感器的分辨率从6186Ω/℃减到0.43Ω/℃；TCR的大小从 降到 。电阻的温度系数越高，温度传感器的分辨率越高；综合得出SiNW温度传感器在掺杂浓度为 时分辨率最高，灵敏度最好。 Ⅳ  结论 实验成功的通过VLS过程生成111方向的SiNWs晶体；SiNWs容易进行旋转涂布掺杂和退火；退火时间从5分钟增加到60分钟时，掺杂浓度会从 增加到 。随着掺杂浓度的增加，传感器的分辨率从6186Ω/℃减到0.43Ω/℃；TCR的大小从 降到 ；由此看出，SiNW温度传感器在掺杂浓度低时，分辨率和灵敏度更好。可以通过较低的温度和更短的扩散时间，得到分辨率更高的传感器。　由于纳米线的温度传感器的传感器单元非常小，因此可以获得高的灵敏度和响应速度。此外，纳米线传感器还具有尺寸小需要的能量少，更加节能等优点。 继续阅读