Si3N4纳米带的结构改性及在场效应晶体管上的应用基础研究

本项目拟采用气压增强化学气相沉积工艺(PA-CVD)制备纯Si3N4纳米带以及镁、铝、稀土氧化物固溶掺杂的Si3N4基纳米带，采用化学气相沉积工艺（CVD）在上述纳米带表面分别形成C、SiO2、BN纳米涂层，采用聚焦离子束加工工艺（FIB）制备表面纳孔结构，并应用上述具有不同掺杂和表面结构的Si3N4基纳米带制备场效应晶体管器件。实验研究Si3N4纳米带的掺杂和表面改性方法，以及工艺参数对纳米带结构和半导体性能的影响规律；实验研究甲醛或二噁英等物质对Si3N4基纳米带半导体性能的影响；数值模拟研究Si3N4纳米带的能级结构、态密度和电子云分布和导电性能，以及固溶掺杂的影响。目的是弄清Si3N4基纳米带半导体性能、影响因素及其物理本质，找到调控Si3N4基纳米带成分和微结构的工艺方法，获得场效应晶体管器件作为气体传感器应用的有关信息，为推进Si3N4基纳米带器件化和实际应用奠定基础。

本研究采用气压辅助化学气相沉积（PE-CVD）的方法获得了大面积、均匀、高纯度的Si3N4纳米带，并将其成功转移到 SiO2/Si 衬底上用于器件制备。通过各种分析手段对Si3N4纳米带的形貌和厚度进行了表征。研究了Si3N4纳米带的图形化工艺，优化了反应离子刻蚀（RIE）的工艺参数，完成了不同尺寸Si3N4-FET器件的制备。对Si3N4-FET电学特性进行了测试分析，获得了三类不同的电导-栅压（σ-Vg）曲线，包括常规双极型曲线、单极型曲线和σ型曲线。从衬底、金属电极及Si3N4纳米带表面三个方面分析了界面对Si3N4纳米带的表面结构调控对电学特性的影响。高温下作用下，氧化对Si3N4纳米带表面的空穴掺杂作用导致单极型的电学特性，表面碳层对Si3N4纳米带表面的空穴掺杂作用使Si3N4纳米带形成p-n结，进而产生了具有双最小电导特性的σ型曲线。同时，对Si3N4-FET的载流子迁移率及其变化机理也进行了分析。通过不同浓度的氢氟酸腐蚀，对Si3N4纳米带表面的C-Si-O掺杂浓度的调控，实现了对Si3N4-FET的电学特性的调控。通过研究Si3N4-FET电学特性的变化规律，总结了表面调控对Si3N4纳米带的作用机制，包括：Al-O电荷转移掺杂、氧空位增强和Si基氟化物电荷散射。此外，论文还研究了甲醛和氧气对Si3N4基纳米带电学特性的影响，讨论了浓度变化和气体解吸附对Si3N4基纳米带气体传感器饱和电压及I-V曲线的变化规律和机理。