一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法技术

一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，硅基片表面形成二氧化硅衬底，库仑岛和电极集成设置在二氧化硅衬底上，在二氧化硅衬底上制备出均匀紧密排布的PS微球单层膜模板，利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜模板表面镀金薄膜，再利用化学腐蚀方法和后处理得到金纳米颗粒阵列；然后采用原子层沉积在金纳米颗粒阵列之上形成氧化铝势垒层，采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备电极，最后采用原子层沉积在电极和氧化铝势垒层上制备氧化铝保护层。本发明专利技术库仑岛尺寸可控且为阵列，方便定位和批量制备；库仑岛与电极间势垒的大小精确可控。在光子、电子、环境、安全等领域应用广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法
本专利技术涉及纳米电子器件
，特别涉及一种用PS微球单层膜模板组装金纳米颗粒阵列制备单电子晶体管的方法。所述PS即聚苯乙烯。所述金颗粒为纳米金颗粒。
技术介绍
1985年，原苏联国立莫斯科大学的Likharev等首次提出单电子学的概念。他们预测人们将可能控制单个电子进出库仑岛的运动，而且随着库仑岛尺寸的减小，这种现象将不断增强，为制造具有潜在应用的单电子器件提供了物理基础。在当前主要的单电子器件中，单电子晶体管由于小尺寸、高开关速度和低功耗等优点而备受关注。单电子晶体管的研究国外开展较早，1951年，Gorter就报道了库仑阻塞现象。最早采用纳米加工技术来进行单电子晶体管研究的是贝尔实验室的Fulton等人，1987年，他们采用掩膜技术制备了尺寸约30nm的铝量子点为库仑岛，在1.7K的超低温下观察到了单电子效应。1989年，MIT的Scott-Thomas等采用X射线光刻的方法，在硅反型层上用狭缝电极做了一个窄的电子通道，宽约30nm、长为1～10μm，在400mK下发现通道的电导随电极电压呈现周期性的振荡。采用微电子工艺，很多研究小组制备了低温下工作的单电子晶体管。工作温度一直是困扰单电子晶体管走向应用的一个关键问题，因此室温单电子效应的研究成为目前纳电子学研究领域的热点。要提高单电子晶体管的工作温度从本质上讲就是设法提高电子隧穿进出库仑岛的电容的充放电能量，使其远远高于工作温度下的热能，一般通过减小库仑岛的尺寸。也就是说，在同样的情况下，库仑岛的尺寸越小，其工作温度就越高。随着微电子工艺的进步，单电子晶体管能够正常工作的温度也逐渐提高。首次室温下观察单电子效应是由等在1992年用扫描隧道显微镜完成的。2003年，Saitoh等用湿法刻蚀和轻微热氧化法制成极窄量子线上的多岛单电子晶体管，在室温下得到了明显的单电子效应。上面的微电子工艺实际上属于一种自上而下的单电子晶体管制备方法，另一种进行单电子晶体管制备的途径是自下而上——自组织生长法。人们很早就通过物理或化学的方法制备尺寸只有几个纳米的粒子，将这些纳米粒子作为单电子晶体管的库仑岛。1995年，Chen等制备了尺寸2～3nm的AuPd纳米粒子，以此构建的单电子晶体管在77K温度下表现出显著的库仑阻塞效应。1996年，Klein等采用尺寸约5.8nm的Au纳米粒子和CdSe纳米粒子，在温度77K下观察到了清晰的库仑台阶曲线。2001年，荷兰Delft理工大学Dekker等通过弯曲金属性的碳纳米管，在室温下观察到了单电子效应。2008年，Ray等利用小尺寸的Au纳米粒子制备了室温下工作的单电子晶体管，其工艺与CMOS工艺兼容；英国Manchester大学的Ponomarenko等则采用石墨烯作为单电子晶体管的隧穿结构，在室温下获得了库仑台阶和库仑振荡曲线。2009年，Bernand-Mantel等以磁性电极为栅极，对单个纳米粒子的单电子效应进行了研究。2010年，DeFranceschi研究组利用分子束外延自组装出SiGe纳米晶以及GaN/AlN异质结构，在低温下观察到了明显的库仑阻塞效应。上个世纪90年代，国内开始对单电子现象予以关注，中科院半导体所夏建白院士就曾经指出单电子晶体管将是未来大容量存储器的最好选择，并认为单电子现象的研究将开辟一门新的“人造原子物理学”。北京大学吴全德院士领导的研究组曾经联合中科院物理所、上海交大、南京大学、吉林大学等多家单位开展纳米电子学基础研究，取得了很多原创性的成果。中科院微电子所刘明教授研究组、湖南大学王太宏教授研究组在微纳器件研究方面进行了大量工作，也开展了一系列的单电子晶体管的研究工作。然而，当前现有单电子晶体管制备普遍存在三个关键技术问题：小尺寸库仑岛的可控制备；库仑岛的可控定位组装；库仑岛与电极之间隧穿势垒大小的精确控制。这关系到器件的工作温度及其性能的一致性。因此，研究人员长久以来一直渴望发展一种可以精确控制库仑岛尺寸及定位，并控制库仑岛与电极之间势垒大小的制备方法，以大幅推动单电子晶体管的发展和应用。据此，我们提出一种基于聚苯乙烯微球单层膜模板组装金纳米颗粒阵列来制备单电子晶体管的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，以克服现有制备方法中，库仑岛与电极间势垒大小以及库仑岛组装定位无法精确控制等不足，显著降低单电子晶体管制备的难度，改善批量制备单电子晶体管性能的一致性。本专利技术采用的技术方案是：一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，首先通过热氧化处理硅基片，使硅基片表面形成二氧化硅衬底，库仑岛和电极集成设置在二氧化硅衬底上，在二氧化硅衬底上制备出均匀紧密排布的PS微球单层膜模板，利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜模板表面镀金薄膜，再利用化学腐蚀方法和后处理得到金纳米颗粒阵列；然后采用原子层沉积在金纳米颗粒阵列之上形成氧化铝势垒层，采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备电极，最后采用原子层沉积在电极和氧化铝势垒层上制备氧化铝保护层。上述技术方案中，所述PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，包括如下步骤：(1)热氧化处理清洗后的硅基片，使硅基片表面形成二氧化硅衬底；(2)在二氧化硅衬底上制备出PS微球单层膜；(3)利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜表面镀金薄膜；(4)采用化学腐蚀的方法去除PS微球单层膜模板；(5)采用化学腐蚀的方法调整纳米金阵列的尺寸大小；(6)采用特定气氛下的高温退火的方法形成良好结晶的金纳米颗粒阵列；(7)采用原子层沉积的方法在金纳米颗粒阵列上生长一层氧化铝薄膜作为势垒层；(8)采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离的方法制备源极、漏极和栅极；(9)采用原子层沉积的方法在电极和势垒层表面生长一层氧化铝薄膜作为保护层。上述技术方案中，所述二氧化硅衬底厚度为200～500nm，作为源极、漏极、栅极和金纳米颗粒与硅基底的绝缘层。上述技术方案中，所述源极、漏极和栅极采用Ti为金属粘附层，粘附层厚度为2～3nm，采用Au为沉积材料，沉积材料厚度为5～25nm。上述技术方案中，所述源极和漏极位于二氧化硅衬底上，中间是特定排列的金纳米颗粒阵列，源极和漏极的间距根据金纳米颗粒尺寸及阵列形式不同而不同。上述技术方案中，所述金纳米颗粒阵列的特定排列为1×1，1×2，1×3，2×1，2×2等。上述技术方案中，所述步骤(2)所使用的PS微球是通过种子乳液聚合法制备的，通过改变单体浓度、稳定剂浓度及种类、引发剂浓度及种类、温度、搅拌速度、反应时间和气氛等实验条件制备特定粒径的PS微球乳液。上述技术方案中，所述步骤(2)在制备PS微球单层膜之前，要利用硫酸或硝酸进行二氧化硅衬底的亲水处理。上述技术方案中，所述步骤(2)在二氧化硅衬底上制备出PS微球单层膜采用浸渍提拉法或者旋涂法、气液界面组装法制备。上述技术方案中，所述步骤(4)采用化学腐蚀的方法去除PS微球单层膜是将基片置于无水乙醇和三氯甲烷混合溶液中超声清洗若干分钟来去除PS微球单层膜模板，得到金纳米阵列。上述技术方案中，所述步骤(5)采用化学腐蚀的方法调整纳米金阵列尺寸大小是采用一定温度的王水，通过控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，其特征在于：首先通过热氧化处理硅基片，使硅基片表面形成二氧化硅衬底，库仑岛和电极集成设置在二氧化硅衬底上，其特征在于：在二氧化硅衬底上制备出均匀紧密排布的PS微球单层膜模板，利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜模板表面镀金薄膜，再利用化学腐蚀方法和后处理得到金纳米颗粒阵列；然后采用原子层沉积在金纳米颗粒阵列之上形成氧化铝势垒层，采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备电极，最后采用原子层沉积在电极和氧化铝势垒层上制备氧化铝保护层。

【技术特征摘要】
1.一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，其特征在于：首先通过热氧化处理硅基片，使硅基片表面形成二氧化硅衬底，库仑岛和电极集成设置在二氧化硅衬底上，其特征在于：在二氧化硅衬底上制备出均匀紧密排布的PS微球单层膜模板，利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜模板表面镀金薄膜，再利用化学腐蚀方法和后处理得到金纳米颗粒阵列；然后采用原子层沉积在金纳米颗粒阵列之上形成氧化铝势垒层，采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备电极，最后采用原子层沉积在电极和氧化铝势垒层上制备氧化铝保护层。2.根据权利要求1所述的PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)热氧化处理清洗后的硅基片，使硅基片表面形成二氧化硅衬底；(2)在二氧化硅衬底上制备出PS微球单层膜；(3)利用电子束蒸发镀膜的方法在PS微球单层膜表面镀金薄膜；(4)采用化学腐蚀的方法去除PS微球单层膜模板；(5)采用化学腐蚀的方法调整纳米金阵列的尺寸大小；(6)采用特定气氛下的高温退火的方法形成良好结晶的金纳米颗粒阵列；(7)采用原子层沉积的方法在金纳米颗粒阵列上生长一层氧化铝薄膜作为势垒层；(8)采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备源极、漏极和栅极；(9)采用原子层沉积的方法在电极和势垒层表面生长一层氧化铝薄膜作为保护层。3.根据权利要求1所述的PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，其特征在于：所述二氧化硅衬底厚度为200～500nm，作为源极、漏极、栅极和金纳米颗粒与硅基底的绝缘层；所述源极、漏极和栅极采用Ti为金属粘附层，粘附层厚度为2～3nm，采用Au为沉积材料，沉积材料厚度为5～25nm。4.根据权利要求1所述的PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，其特征在于：所述源极和漏极位于二氧化硅衬底上，中间是特定排列的金纳米颗粒阵列，源极和漏极的间距根据金纳米颗粒尺寸及阵列形式不同而不同；所述金纳米颗粒阵列的特定排列为1×1，1×2，1×3，2×1，2×2。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：方靖岳，王飞，孙佳雨，江盼盼，刘哲，方涛，张学骜，秦石乔，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43