本發明專利技術公開了屬于場發射技術領域的一種場發射性能優良具有尖端結構的硅納米線陣列的制備方法。該方法首先在硅基底上排布單層密排的PS小球并對其進行反應離子刻蝕處理，然后采用電子束蒸發鍍銀，去除PS小球后，接著將基底進行銀催化腐蝕，得到直徑較大的硅納米線陣列；再通過干法氧化處理將硅納米線變成尖端結構，并進一步減小硅納米線直徑，增加納米線間距。本發明專利技術方法制備的具有尖端的硅納米線陣列，具有優良的場發射性能；其開啟電壓為1.8V/μm，且電流穩定性較好；同時，硅納米線單晶性能良好，能在較大面積規則密排，長徑比可控性較強。本方法成本低、產率高、可調控性好，因而可在硅基場發射電子器件的生產中得到應用。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于場發射
，特別涉及。
技術介紹
硅是電子信息
最為重要的半導體；硅及硅的氧化物和氮化物由于地球中含量豐富，原料價格低廉，制備工藝成熟，在電互連集成電路中得到了極為廣泛的應用。半個世紀以來，硅基微電子技術得到深入發展，已經成為計算、通訊、自動控制和信息處理等領域的核心技術。硅納米線作為一類重要的一維半導體納米材料，在納米器件方面具有很好的應用前景。同時，硅納米線具有穩定的半導體性能，并且能與現代半導體技術相兼容。由于納米材料擁有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及量子隧道效應等獨特的性質，從而使其具有塊狀材料并不具備的優良的物理化學性能。硅納米線具有優良的場發射特性，在真空微電子和場發射器件領域中具有廣闊的應用前景；可用于制備高性能場效應晶體管(FET)、單電子探測器和場發射顯示器等納米電子器件。在硅基底上直接腐蝕得到的規整排布的納米線，具有較高的場增強因子，且便于后續組裝，在構造單元與納米電子器件方面中具有潛在的應用前景，在場發射器件中有更高的應用價值。隨著硅納米線合成、組裝和測量技術的不斷成熟，將實現其在納米器件的大規模集成。但同時應該看到，硅納米線從宏觀制備、電學性能穩定性、組裝和性能測試、器件制備等方面還存在尚未解決的問題。目前，硅納米線納米電子器件大多停留在實驗室研究階段，其重復性較差，離納米器件的大規模集成還有相當大的距離。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種場發射性能優良、具有尖端結構的大面積硅納米線陣列的制備方法。本專利技術的技術方案如下:—種場發射性能優良具有尖端結構的硅納米線陣列的制備方法，包括以下步驟:(I)清洗硅基底并進行親水處理；(2)在硅基底上排布單層密排的直徑為960_1000nm的PS小球；(3)以流量40-60SCCM的氧氣作為反應氣體，在壓強2Pa，功率30-50W的條件下對步驟2中制備的PS小球陣列進行300-320S的反應離子刻蝕處理，將PS小球的直徑減小至約 480_580nm ；(4)在硅基底上通過電子束蒸發鍍銀，鍍膜速率為每秒3埃，鍍膜時間為4min，再將其置于甲苯中超聲溶解PS小球，從而得到多孔銀膜；(5)將硅基底置于4.8M的HF和0.3M的H2O2的混合溶液中保溫8分鐘進行銀催化腐蝕處理，再置于質量分數為50%的硝酸中去除殘余的銀；(6)將步驟(5)中得到的硅納米線陣列在O2氣氛中，900-1000°C下保溫60-80分鐘進行干法氧化，取出后置于質量分數1-5%的HF水溶液中去除表面的氧化層，得到硅納米線陣列。PS小球排布的方法為:將玻璃片置于表面皿中央，向表面皿中加入去離子水至水面稍高于玻璃片表面；將質量分數為0.5-3%的PS小球溶液緩慢滴加至玻璃片上，小球在液面擴散，停止滴加后從表面皿邊緣滴入十二烷基硫酸鈉溶液，將硅片放入表面皿一側，利用鑷子將其推到PS小球密排一側，待硅基底上的水分完全蒸發后取出，其上即排布有單層密排的PS小球陣列。本專利技術的有益效果為:I)本專利技術的方法通過簡化改進PS小球模板的制備工藝，提高了制備PS小球模板的單層性、密排性、成功率和效率；并采用甲苯溶液超聲去除小球，克服了硅基底上難以干凈去除PS小球的障礙，保證了后續步驟的進行；2)本專利技術的方法將銀催化腐蝕與干法氧化工藝結合，從而實現了具有尖端結構硅納米線陣列的大面積制備，將硅納米線的直徑減小至尖端180nm，根部約380nm ;這種尖端結構和較大間距可以明顯提高場發射的性能。該方法制備得到的硅納米線陣列的開啟電壓遠低于其他方法制備得到的的硅納米線陣列，尖端結構極大的提高了場增強因子；同時由于間距較大，從而避免了相互屏蔽效應，大大提高了場發射性能。3)本專利技術制備出的硅納米線陣列不僅能獲得較好的場發射性能，而且單晶性能良好，能在較大面積規則密排，納米線具有尖端，間距及長徑比可控性較強。此外，本方法成本低、產率高、可調控性好，因而很有望在硅基場發射器件的生產中得到實際應用。所制備的納米線場發射性能為開啟電壓1.8V/ym，場增強因子為5785 ;電流穩定性測試表明其在2.3V/ μ m的電壓下，電流密度穩定在大約300 μ A/cm2，波動率為8%。【附圖說明】圖1為大尺寸硅納米線陣列制備過程的流程圖；其中(a)為排布PS小球，(b)為反應離子刻蝕，(C)為磁控濺射鍍銀結果，⑷為超聲去小球，(e)為銀催化腐蝕，⑴為干法氧化。圖2為制備大尺寸硅納米線陣列過程的掃描電鏡照片；其中(a)為反應離子刻蝕結果，(b)為磁控濺射鍍銀結果，(C)為超聲去小球結果，(d)為銀催化腐蝕結果。圖3為干法氧化后的掃描電鏡照片。圖4為制備的具有尖端結構的硅納米線的透射電鏡照片；其中(a)為低倍像，(b)為納米線側面形貌，(C)為納米線頂端形貌。圖5為硅納米線陣列的場發射性能測試曲線，即電流-電壓曲線；插圖為F-N曲線。圖6為硅納米線陣列的場發射性能測試穩定型曲線。【具體實施方式】下面將通過附圖和具體實例對本專利技術作進一步的說明。實施例1(I)將硅基底和玻璃片用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并浸沒于濃H2SO4和H2O2體積比為4:1的混合溶液中進行親水處理；(2)在娃基底上排布一層單層密排的PS小球,方法如下:將玻璃片吹干后置于表面皿中央，向表面皿中加入去離子水至水面稍高于玻璃片表面；將稀釋得到的質量分數為0.5%，直徑為960nm的PS小球的水溶液緩慢滴加至玻璃片上，小球在液面擴散，待大部分液面覆蓋單層小球后停止滴加；從表面皿邊緣滴入ImL質量分數為I %的十二烷基硫酸鈉溶液，將硅片從放入表面皿中，利用鑷子將其推到PS小球密排一側，待硅基底上的水分完全蒸發后取出，其上即排布有單層密排的PS小球陣列；如附圖1(a)和2 (a)所示。(3)以流量40SCCM的氧氣作為反應氣體，在壓強2Pa，功率30W的條件下對步驟2中制備的PS小球陣列進行300s的反應離子刻蝕處理，將PS小球的直徑減小至約580nm ；如附圖1(b)和2(b)所示。(4)在硅基底上通過電子束蒸發鍍銀，鍍膜速率為每秒3埃，鍍膜時間為4min，如附圖1(c)和2(c)所示；再將其置于甲苯中超聲溶解PS小球，從而得到多孔銀膜；如附圖1(d)和2(d)所示。(5)將硅基底置于4.8M的HF和0.3M的H2O2的混合溶液中保溫8分鐘進行銀催化腐蝕處理，再置于質量分數為50%的硝酸中去除殘余的銀；過程如附圖1(e)所示。(6)將步驟(5)中得到的硅納米線陣列在O2氣氛中，900°C下保溫70分鐘進行干法氧化，取出后置于質量分數I %的HF水溶液60分鐘去除表面的氧化層；過程如附圖1(f)所示；制備得到的硅納米線長度為3.2 μ m，尖端直徑為180nm，根部直徑為380nm的硅納米線陣列，結果如附圖3和4所示。(7)將步驟(6)中得到的樣品在其背面通過導電銀膠連接導線作為陰極，并固定在玻璃片中央；將鍍有熒光層的ITO導電玻璃作為陽極，在陰陽極之間加一玻璃片(0.5mm)并用鑷子將三者固定住。將陰陽兩極的導線連接到場發射性能測試設備的電極處，將系統抽真空到10_6Pa，陰陽極間距為500nm，在0-1100V加電壓測試其電流得到電流-電壓曲線，如附圖5和6所示。利用本方法制備出的硅納米線陣列長度為3.本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種場發射性能優良具有尖端結構的硅納米線陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)清洗硅基底并進行親水處理；(2)在硅基底上排布單層密排的直徑為960?1000nm的PS小球；(3)以流量40?60SCCM的氧氣作為反應氣體，在壓強2Pa，功率30?50W的條件下對步驟2中制備的PS小球陣列進行300?320s的反應離子刻蝕處理，將PS小球的直徑減小至約480?580nm；(4)在硅基底上通過電子束蒸發鍍銀，鍍膜速率為每秒3埃，鍍膜時間為4min，再將其置于甲苯中超聲溶解PS小球，從而得到多孔銀膜；(5)將硅基底置于4.8M的HF和0.3M的H2O2的混合溶液中保溫8分鐘進行銀催化腐蝕處理，再置于質量分數為50％的硝酸中去除殘余的銀；(6)將步驟(5)中得到的硅納米線陣列在O2氣氛中，900?1000℃下保溫60?80分鐘進行干法氧化，取出后置于質量分數1?5％的HF水溶液中去除表面的氧化層，得到硅納米線陣列。
【技術特征摘要】
1.一種場發射性能優良具有尖端結構的硅納米線陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)清洗硅基底并進行親水處理； (2)在硅基底上排布單層密排的直徑為960-1000nm的PS小球； (3)以流量40-60SCCM的氧氣作為反應氣體，在壓強2Pa，功率30-50W的條件下對步驟2中制備的PS小球陣列進行300-320S的反應離子刻蝕處理，將PS小球的直徑減小至約480_580nm ； (4)在硅基底上通過電子束蒸發鍍銀，鍍膜速率為每秒3埃，鍍膜時間為4min，再將其置于甲苯中超聲溶解PS小球，從而得到多孔銀膜； (5)將硅基底置于4.8M的HF和0.3M的H2O2的混合溶液中保溫8分鐘進行銀催化腐蝕...
【專利技術屬性】
技術研發人員：呂沙沙，李正操，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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