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硅纳米线的机电特性研究

闫社平  
【摘要】:纳机电谐振器的应用十分广泛,有关其驱动检测和加工工艺及其随着特征尺寸进一步减小以至接近量子极限而进行的研究已成为该领域的热点之一 随着纳机电谐振器的进一步发展,其特征尺寸在由纳米梁减小到纳米线时会导致目前应用的驱动检测方法遇到了困难,而基于场效应检测的方法不以谐振器尺寸的减小而改变,是一种新型有效的针对硅纳米线振动进行检测的方法。在该方法中MOSFET的沟道会受到机械应力尤其是大的弯曲变形时出现的GPa级应力等外部环境影响,因此关于应力等对纳米薄膜MOSFET特性影响的研究就十分必要。现有的硅纳米线的制作方法存在工艺复杂或者成本昂贵等问题,发展新的工艺简单、尺寸易于控制的硅纳米线加工工艺是纳机电谐振器发展中必须解决的问题。同时,随着纳机电谐振器特征尺寸的进一步减小以及发展高精度传感器的需要,其检测位移的变化量已接近由海森堡测不准原理所决定的量子极限,而研究如何利用量子压缩效应来减小纳机电谐振器尤其是纳米线谐振器的量子噪声已成为必需。 本论文以传统MEMS工艺结合SOI-MOSFET制造工艺加工出有纳米薄膜SOI-MOSFET的NEMS器件,并基于此研究了机械应力尤其是GPa级大应力等对纳米薄膜MOSFET特性的影响;研究了硅纳米线加工工艺并发现了一种新的硅纳米针制作方法;对典型的硅纳米梁/纳米线谐振器和以石墨烯(graphene)为基础的亚纳米级谐振器的量子压缩效应进行了系统的理论分析。 本论文的主要创新性工作及成果包括以下三个方面: (1)基于MEMS工艺和纳米SOI-MOSFET制造工艺,加工得到可用于研究包括GPa级的机械应力等对纳米薄膜SOI-MOSFET特性影响的NEMS器件。对加工出的器件进行了与沟道方向平行和垂直时的定量机械应力、GPa级大应力以及梁断裂对纳米薄膜MOSFET特性的影响。研究发现由于作为MOSFET沟道的纳米薄膜中寄生电阻的影响导致论文中测出的MOSFET沟道等效压阻系数比目前报道的结果小很多。同时,研究发现纳米薄膜MOSFET的沟道受到接近1 GPa的平行方向应力会使其跨导减小约76%,该应力释放后器件的跨导仍比施加应力前减少了约2%;而与沟道方向垂直的应力达到2 GPa时,MOSFET的跨导增加了197%,该应力释放后其跨导依然比施加应力前增加了150%,论文对上述现象进行了分析。同时,论文研究了纳米薄膜MOSFET在温度范围为-60℃~200℃时的工作特性。 (2)在研究硅纳米线的加工工艺中发现了一种利用MEMS TMAH各向异性腐蚀的新型的硅纳米针制作方法。该方法中的核心技术是基于硼注入导致硅的腐蚀速率下降的浓硼自停止腐蚀原理。基于此发展了一套制作成本低廉、重复性高、易于控制、与IC工艺兼容并可以批量制作的硅纳米针加工工艺。实验中得到的硅纳米针具有很高的纵横比且其针尖角度θ最小可以达到2.9°。论文对硅纳米针的腐蚀过程进行了详细的理论分析并建立了腐蚀模型,对基于模型得到的结果与实验结果进行了对比分析。 (3)给出了基于时间相关的pump技术的可应用于减小纳机电谐振器量子噪声的量子压缩方法,理论分析了该方法的可行性并与传统的方法进行了对比。对典型的硅纳米梁谐振器和硅纳米线谐振器的位置不确定度即量子噪声及其量子压缩效应进行了系统研究分析,研究发现在T=50 mK、V=4 V、L=6μm、W=20 nm、h=12 nm时,硅纳米线谐振器的量子压缩系数R可以达到0.1184,即量子噪声可被减小18.54 dB。研究了只有一层和几层原子的国际上已制作出的亚纳米级石墨烯谐振器的量子噪声以及量子压缩效应,为发展高精度亚纳米级传感器分析了应变对这两者的影响。研究发现典型的单层graphene纳机电谐振器在T=5 K,V=2 V,L=1.8μm,W=0.2μm,时,压缩系数R便可以达到0.2858,即量子噪声被减小了10.88 dB;T=50 mK,V=4 V,L=1.8μm,W=0.2μm,时,有R=0.0143,即量子噪声被减小了36.90 dB。同时,论文的上述研究工作为实验室阶段能够在纳机电谐振器中观测到真实的量子压缩态及压缩效应提供了理论基础。


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