硅納米線的機(jī)電特性研究.pdf

1、納機(jī)電諧振器的應(yīng)用十分廣泛，有關(guān)其驅(qū)動(dòng)檢測(cè)和加工工藝及其隨著特征尺寸進(jìn)一步減小以至接近量子極限而進(jìn)行的研究已成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
　　 隨著納機(jī)電諧振器的進(jìn)一步發(fā)展，其特征尺寸在由納米梁減小到納米線時(shí)會(huì)導(dǎo)致目前應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)方法遇到了困難，而基于場(chǎng)效應(yīng)檢測(cè)的方法不以諧振器尺寸的減小而改變，是一種新型有效的針對(duì)硅納米線振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的方法。在該方法中MOSFET的溝道會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力尤其是大的彎曲變形時(shí)出現(xiàn)的GPa級(jí)應(yīng)力等外部環(huán)境影

2、響，因此關(guān)于應(yīng)力等對(duì)納米薄膜MOSFET特性影響的研究就十分必要。現(xiàn)有的硅納米線的制作方法存在工藝復(fù)雜或者成本昂貴等問(wèn)題，發(fā)展新的工藝簡(jiǎn)單、尺寸易于控制的硅納米線加工工藝是納機(jī)電諧振器發(fā)展中必須解決的問(wèn)題。同時(shí)，隨著納機(jī)電諧振器特征尺寸的進(jìn)一步減小以及發(fā)展高精度傳感器的需要，其檢測(cè)位移的變化量已接近由海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理所決定的量子極限，而研究如何利用量子壓縮效應(yīng)來(lái)減小納機(jī)電諧振器尤其是納米線諧振器的量子噪聲已成為必需。
　　 本論

3、文以傳統(tǒng)MEMS工藝結(jié)合SOI-MOSFET制造工藝加工出有納米薄膜SIO-MOSFET的NEMS器件，并基于此研究了機(jī)械應(yīng)力尤其是GPa級(jí)大應(yīng)力等對(duì)納米薄膜MOSFET特性的影響；研究了硅納米線加工工藝并發(fā)現(xiàn)了一種新的硅納米針制作方法；對(duì)典型的硅納米梁/納米線諧振器和以石墨烯(graphene)為基礎(chǔ)的亞納米級(jí)諧振器的量子壓縮效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作及成果包括以下三個(gè)方面：
　　 (1)

4、基于MEMS工藝和納米SOI-MOSFET制造工藝，加工得到可用于研究包括GPa級(jí)的機(jī)械應(yīng)力等對(duì)納米薄膜SOI-MOSFET特性影響的NEMS器件。對(duì)加工出的器件進(jìn)行了與溝道方向平行和垂直時(shí)的定量機(jī)械應(yīng)力、GPa級(jí)大應(yīng)力以及梁斷裂對(duì)納米薄膜MOSFET特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)由于作為MOSFET溝道的納米薄膜中寄生電阻的影響導(dǎo)致論文中測(cè)出的MOSFET溝道等效壓阻系數(shù)比目前報(bào)道的結(jié)果小很多。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)納米薄膜MOSFET的溝道受到接近1

5、 GPa的平行方向應(yīng)力會(huì)使其跨導(dǎo)減小約76％，該應(yīng)力釋放后器件的跨導(dǎo)仍比施加應(yīng)力前減少了約2％；而與溝道方向垂直的應(yīng)力達(dá)到2 GPa時(shí)，MOSFET的跨導(dǎo)增加了197％，該應(yīng)力釋放后其跨導(dǎo)依然比施加應(yīng)力前增加了150％，論文對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析。同時(shí)，論文研究了納米薄膜MOSFET在溫度范圍為-60℃～200℃時(shí)的工作特性。
　　 (2)在研究硅納米線的加工工藝中發(fā)現(xiàn)了一種利用MEMS TMAH各向異性腐蝕的新型的硅納米針制作方

6、法。該方法中的核心技術(shù)是基于硼注入導(dǎo)致硅的腐蝕速率下降的濃硼自停止腐蝕原理。基于此發(fā)展了一套制作成本低廉、重復(fù)性高、易于控制、與IC工藝兼容并可以批量制作的硅納米針加工工藝。實(shí)驗(yàn)中得到的硅納米針具有很高的縱橫比且其針尖角度θ最小可以達(dá)到2.9°。論文對(duì)硅納米針的腐蝕過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析并建立了腐蝕模型，對(duì)基于模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　 (3)給出了基于時(shí)間相關(guān)的pump技術(shù)的可應(yīng)用于減小納機(jī)電諧振器量子噪

7、聲的量子壓縮方法，理論分析了該方法的可行性并與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)典型的硅納米梁諧振器和硅納米線諧振器的位置不確定度即量子噪聲及其量子壓縮效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究分析，研究發(fā)現(xiàn)在T=50 mK、V=4 V、L=6μm、W=20 nm、h=12 nm時(shí)，硅納米線諧振器的量子壓縮系數(shù)R可以達(dá)到0.1184，即量子噪聲可被減小18.54 dB。研究了只有一層和幾層原子的國(guó)際上已制作出的亞納米級(jí)石墨烯諧振器的量子噪聲以及量子壓縮效應(yīng)，為發(fā)展高精度

8、亞納米級(jí)傳感器分析了應(yīng)變對(duì)這兩者的影響。研究發(fā)現(xiàn)典型的單層graphene納機(jī)電諧振器在T=5 K，V=2 V，L=1.8μm，W=0.2μm，時(shí)，壓縮系數(shù)R便可以達(dá)到0.2858，即量子噪聲被減小了10.88 dB；T=50 mK，V=4 V，L=1.8μm，W=0.2μm，時(shí)，有R=0.0143，即量子噪聲被減小了36.90 dB。同時(shí)，論文的上述研究工作為實(shí)驗(yàn)室階段能夠在納機(jī)電諧振器中觀測(cè)到真實(shí)的量子壓縮態(tài)及壓縮效應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)