新型硅纳米线掺杂方法技术

本发明专利技术公开了一种新型硅纳米线掺杂方法，首先在玻璃衬底上通过金属催化ＣＶＤ法生长硅纳米线，然后采用离子注入的方法注入Ｆｅ离子或其它的稀磁元素，之后对掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行磁性激活。能够通过稀磁杂质在电场作用下的电子自旋分裂特性，对已掺杂的纳米线的掺杂浓度进行补偿调整。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微电子加工中的掺杂技术，尤其涉及一种。
技术介绍
由于平面型硅器件特征尺寸的不断缩小，推动了微电子学器件和电路性能和集成 度的提高，实际上，今天的微电子学领域硅器件的特征尺寸已经在IOOnm以下，已经是真正 意义上的“纳米电子学”。目前受到广泛研究的纳米结构包括纳米带、纳米线、纳米颗粒 、量子点等，纳米线 是指对应的横向尺寸被限制在100纳米之内，纵向尺寸没有限制的一维结构。这种尺度上， 量子效应很显著，因此也被称作"量子线"。根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类 型，包括金属纳米线(如Ni，Pt，Au等)，半导体纳米线(如InP，Si，GaN等)和绝缘体纳 米线(如Si02，Ti02等)。典型的纳米线的长宽比在1000以上，目前的研究结果表明，该 结构具有许多特殊的性质，在纳电子领域，纳米线可以做为量子器件的连线、场发射器和生 物分子纳米传感器等，也可以被用来制作超小电路。针对以上具有广阔应用前景的硅纳米线结构和器件，还有若干关键问题没能解 决，其中包括纳米线的掺杂问题。现有技术中，纳米线的掺杂都是在生长纳米线过程中，通过调整CVD系统中杂质 反应气体的含量来进行控制。上述现有技术至少存在以下不足之处对于生长好的纳米线不能进行掺杂控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能对生长好的纳米线进行掺杂浓度调控的新型硅纳米 线掺杂方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的本专利技术的，包括步骤A、在衬底材料上生长硅纳米线；B、向步骤A中生长的硅纳米线中掺入稀磁杂质；C、对步骤B中掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行磁性激活。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术所述的， 由于在生长的硅纳米线中掺入稀磁杂质，并对掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行 磁性激活。能够通过稀磁杂质在电场作用下的电子自旋分裂特性，对已掺杂的纳米线的掺 杂浓度进行补偿调整。附图说明图1为本专利技术中掺Fe的硅纳米线在温度为300K下的磁滞回线示意图。具体实施例方式本专利技术的，其较佳的具体实施方式，包括步骤A、在衬底材料上生长硅纳米线，可以是在玻璃衬底上通过金属催化CVD法生长硅 纳米线；B、向步骤A中生长的硅纳米线中掺入稀磁杂质，稀磁杂质包括Fe或其它的稀磁元 素；C、对步骤B中掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行磁性激活。上述的步骤A中，所述的在玻璃衬底上通过金属催化CVD法生长娃纳米线可以包括在玻璃衬底上，首先溅射一层厚度为15-25纳米的金层，通过化学腐蚀方法，形成 直径为5-30纳米的金纳米团簇，然后在435-460°C的氢气环境下，使用硅烷作为硅反应物 生长硅纳米线。上述的步骤B中，可以采用离子注入的方法注入Fe离子，注入能量为120 220keV，注入数量为3X 1017cnT2 5X 1017cnT2，如150keV，注入时的温度为200-300°C。在 注入Fe离子的过程中，衬底材料可以倾斜6-8°，如衬底材料倾斜7°。上述的退火处理包括在240 260°C的氢气气氛下，退火4 6分钟。也可以采用其它的退火工艺。目前对已经生长完成的SiNW的掺杂要求，一般要求做到精确控制和能够补偿调 整，例如，在制作硅纳米线晶体管时，为获得满足电路需要的器件性能，需要精确控制纳米 线的掺杂浓度；同时也需要对已掺杂的纳米线的掺杂浓度进行补偿调整。本专利技术中的掺杂技术，能够对纳米线进行浓度的精确控制和补偿调整。对于一个 已经生长好的纳米线材料，可以通过外界调制的工艺方法来改变纳米线的导电特性，掺杂 工艺要具有有效、简单。对于纳米线的掺杂浓度的控制，是通过调整铁离子的含量来达到 的。在生长完成后，退火是非常重要的步骤，用来激活磁性。具体实施例，包括步骤1、金属催化CVD法生长硅纳米线选择的衬底为玻璃，首先溅射一层厚度为20纳米的金层，通过化学腐蚀方 法，使之形成直径为 5nm(4. 9nm士 1. Onm)，IOnm (9. 7nm士 1. 5nm)，20nm(19. 8 士 2. Onm)， 30nm(30nm士3歷)金纳米团簇，然后在435-460°C，使用硅烷作为硅反应物生长SiNW，根据 经验，使用氢气作为管道中的气体，能够有效降低所生长出的纳米线的表面粗糙度。步骤2、利用稀磁杂质进行掺杂用稀磁杂质进行掺杂，基于这一技术路线的原因在于，申请人首次发现了稀磁杂 质对硅纳米线具有有效掺杂调制的作用，申请人在生长硅纳米线的过程中，从实验上实现 了掺Fe的硅纳米线(Si = FeNW)的生长，经过适当退火处理实现磁性激活，表现出了一定的 微磁性。稀磁杂质对纳米线的掺杂调制效应主要是由于稀磁杂质在电场作用下的电子自旋 分裂造成的，具体包括向步骤1中制备的硅纳米线材料中采用离子注入的方法注入Fe离子；注入能量可以为120 220keV，如150keV ；注入数量可以为3X 1017cnT2 5X 1017cnT2 ；注入时的温度可以选用较高的温度，如大于等于200°C，但是不能超过300°C。在注入Fe离子的过程中， 衬底材料可以倾斜7°左右，如6 8°，可以避免管道缺陷出现。之后，对Fe离子注入完成后的硅纳米线进行退火处理，在氢气气氛下240 260°C 退火4 6分钟。对硅纳米线进行上述氢气气氛下的退火处理，这样做的优点在于减少表面缺陷或悬挂键对器件的影响；杂质掺入后，有利于提高掺杂范围，避免掺 杂对结构的破坏。如图1所示，为掺Fe的硅纳米线在温度为300K下的磁滞回线，可以证明，该纳米 线具有微磁性。通过实验，对比掺Fe前、后硅纳米线晶体管的特性，可以看出，稀磁杂质对纳米线 有典型的掺杂调制现象，不同杂质含量对应不同的器件特性，不同稀磁杂质含量对应不同 器件特性，所以表现出较高的掺杂灵敏度。本专利技术的方法对于已经生长好的硅纳米线进行掺杂，其最大的特点就是针对已经 生长好的纳米线实现其掺杂控制。由于目前金属纳米团簇CVD生长法比较成熟，本专利技术的 具体实施例中，主要针对如何有效掺杂金属催化CVD (Chemical Vapor D印osition，化学气 相淀积)法生长的SiNW(硅纳米线)。本专利技术中采用稀磁杂质Fe进行掺杂，基于这一技术路线的原因在于，申请人首次 发现了稀磁杂质对硅纳米线具有有效掺杂调制的作用，申请人在生长硅纳米线的过程中， 实现了掺Fe的硅纳米线(Si = FeNW)的生长，经过适当退火处理和磁性激活等处理，表现出 了一定的微磁性。稀磁杂质对纳米线的掺杂调制效应主要是由于稀磁杂质在电场作用下的 电子自旋分裂造成的。以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。权利要求一种，其特征在于，包括步骤A、在衬底材料上生长硅纳米线；B、向步骤A中生长的硅纳米线中掺入稀磁杂质；C、对步骤B中掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行磁性激活。2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述的步骤A中，在玻 璃衬底上通过金属催化CVD法生长硅纳米线。3.根据权利要求2所述的，其特征在于，所述的在玻璃衬底上 通过金属催化CVD法生长硅纳米线包括在玻璃衬底上，首先溅射一层厚度为15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型硅纳米线掺杂方法，其特征在于，包括步骤：Ａ、在衬底材料上生长硅纳米线；Ｂ、向步骤Ａ中生长的硅纳米线中掺入稀磁杂质；Ｃ、对步骤Ｂ中掺入稀磁杂质的硅纳米线通过退火处理进行磁性激活。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩峰，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]