英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
机械传感器用单晶硅纳米线压电陶瓷
Toshiyuki Toriyama，Tanimoto Yasutada和Susumu Sugiyama， 电气与电子工程师协会会员
摘要： 采用热扩散、电子束直接书写和活性离子蚀刻相结合的方法制备了最小截面积为53纳米*53纳米的p型硅(Si)纳米线压敏电阻。在表面杂质浓度为5*10^19(厘米^-3)时，硅纳米线压敏电阻的纵向压阻系数pi;l[011]的最大值为48*10^5(1/兆帕)，并且它对机械传感器的应用具有足够的灵敏度。硅纳米线压敏电阻的纵向压阻系数pi;l[011]随着横截面积的减小而增加到60%，而横向压阻系数pi;t[011]随着截面纵横比的增加而减小。在孔能考虑和有限元应力分析的基础上，对这些现象进行了简要的研究。 [699]
索引： 纳米线，压阻，p型硅.
介绍
压电电阻效应被广泛应用于集成压力传感器、加速度计和原子力显微镜(AFM)悬臂梁的传感原理。特别是对于AFM悬臂梁，有两种主要的检测方法。 一种是压阻检测，另一种是光学激光检测。一般来说，光学检测比压阻检测具有更高的灵敏度。因此，压电阻悬臂梁用于数据存储悬臂梁的大阵列[1]、超小型高带宽悬臂梁[2]和生物化学质量传感，如DNA（脱氧核糖核酸）质量在微流体通道[3]，[4]，其中光学检测很难应用。然而，在传统的压阻悬臂梁中灵敏度较低的缺点给MEMS的应用带来了限制。
为了提高压阻悬臂梁的设计和工艺，Harleyand和Kenny出版的考虑设计和过程的压阻悬臂[5]。 根据这些参数，给出了矩形理想压阻悬臂梁的阻力变化。
其中是pi;l纵向压阻系数，l是长度，w是宽度，t是厚度，f是作用力。 共振频率与t/l^2成正比，并且弹簧常数与t^3/l^3成正比。基于这一初步考虑， 规定弹簧常数的压阻悬臂梁的电阻变化和带宽通过减小厚度和质量以保持t/l恒定来增加。压阻悬臂制造工艺的最新进展有助于实现具有力分辨率fN的亚微米厚度悬臂[5]，[6]。然而，为了获得更高的力分辨率，即低于fN分辨率， 压敏电阻和悬臂梁的厚度和质量必须按照（1）和以前的文献[5]-[7]的推论进行。这种分辨率是检测分子和离子等超小物体质量所必需的，它们是生化传感[7]、[8]中的主要目标。
本文研究了p型单晶硅纳米线(Si纳米线)的电阻，以验证纳米压敏电阻的性能。 关于这一课题，作者制备了p型多晶硅纳米线压敏电阻，并对其基本的机电性能进行了量化[9]。 采用注入氧基分离法、热扩散法、电子束直接书写法和反应离子刻蚀法制备硅（Si）纳米线压敏电阻器。研究发现，纳米线压电阻器的纵向压阻系数pi;l[011]随截面积的减小而增大，而横向压阻系数pi;t[011]随着截面纵横比的增加则减小。 更准确地说，纵向压阻系数主要受截面积大小的控制，对截面积的形状和纵横比的依赖性很弱。横向压阻系数主要受截面纵横比的控制，对横截面积的形状和大小有很弱的依赖性。 利用空穴能量考虑和有限元应力分析我对这些现象进行了简要的研究。 通过引入一维（一维）空穴传输和基于一维空穴传输系统的空穴传导传质机制，可以定性地解释pi;l[011]的增强，这可能是预期在纳米线中诱导的。利用有限元应力分析，随着截面纵横比的变化，从基片到纳米丝的机械应力传输效率也随之变化，可以合理地解释pi;t[011]的减少。
这一实验证据有助于重新考虑传统压阻式机械传感器的设计。用于机械传感器的压敏电阻的电阻变化可以计算为膜和光束中表面应力的函数。 假设应力在压敏电阻中是统一的，给出了双轴应力引起的电阻变化。[10]
其中，pi;l和pi;t分别是纵向和横向压阻系数，sigma;l和sigma;t分别是纵向应力和横向应力。 通常，膜的表面和光束的固定端受到双轴面内应力sigma;l和sigma;t影响，并具有相同的标志[11]。 然而，硅的主要晶体取向和sigma;l和sigma;t有相反的迹象[10]。这些条件总是导致传统压阻式机械传感器总电阻变化的减少。因此，传统压阻式机械传感器的设计已经做出了许多努力去在压敏电阻排列和晶体取向的限制下优化灵敏度[10]。与此相反，通过使用具有适当截面面积和截面纵横比的纳米线压敏电阻可以忽略pi;t这一点。 在这种情况下，压敏电阻具有单轴应力敏感性并且（2）可大致修改为
由于上述问题，这有助于提高灵敏度，并且不受压敏电阻在弹性构件上排列的限制。
然而，对纳米导线中的压阻进行了一种几何形状和杂质浓度的研究，但所得结果为纳米压阻电阻的灵敏度与结构之间的关系提供了新的知识，为设计考虑纳米压阻悬臂梁和传统压阻机械传感器的设计自由度提供了良好的前景。
制造
图1 .硅纳米丝的制备工艺。
利用EB直接写入和RIE实现压敏电阻的纳米线结构。
图1 介绍了硅纳米线压敏电阻的制备工艺。
a) 以p-Si活性层为53纳米~65纳米厚的SIMO X（100）衬底为起始材料。
b) 硼通过两步扩散过程扩散到p-Si活性层。以杂质源自旋作为扩散源。在1173K下在干燥的氮气中预沉积20分钟，在1173k下干燥的氧气中驱动扩散10分钟，这种方法是被通常使用的。P -si扩散层薄膜电阻是809欧姆。表面杂质浓度近似Ns等于5*10^19（厘米^-3）。利用杂质分布的高斯标准剖面，从扩散层的深度（结深度）和扩散层的片状电阻推导出表面杂质浓度[12]，[13]。扩散层深度相当于P -si活性层，从53纳米到65纳米不等。
c）利用EB光刻系统，将纳米线压敏电阻的图案直接写入EB电阻上，它是在P -si扩散层上纺成的。
d）采用RIE(SF6)法制备了纳米线压敏电阻，其中EB电阻作为刻蚀掩模。
e）采用真空蒸发法和光刻法制备了电极。最后，在673K下干燥氮气中烧结10分钟。
特征
图2. 硅纳米线(NO)的AFM(A)和SEM(B)图像。（表一中可见1号)
表一.硅氮气的特征和抗性
图2(a)显示了所制备的纳米线压敏电阻的AFM图像。图2(B)显示了所制备的纳米线压敏电阻的SEM（扫描电子显微镜）图像。根据AFM测量，制备的纳米线压敏电阻具有三角形或梯形截面。表一总结了所制备的纳米线压敏电阻的尺寸和电阻。视距比定义为纳米线压电阻器的（厚度)/(平均宽度）。长宽比在0.2到1.01之间，如表一所示。 计算的电阻值是由纳米线压敏电阻的几何形状和P -si扩散层的片状电阻得到的（薄膜电阻=809欧姆）。实验电阻值高于计算。
图3. 硅纳米线的电流-电压特性。
图3显示了纳米线压敏电阻在室温下的电流-电压特性。纳米压敏电阻的电流-电压特性呈线性关系；因此，实现了欧姆接触。如果我们取较高的电压范围，即大于0.2伏，则电流-电压特性倾向于表示非线性关系。这个原因到目前为止还没有解决。在较高电压范围内的单晶和多晶硅薄膜电阻中也发现了类似的现象[14]。然而，它适用于机械传感器应用中使用线性部分的电流-电压特性。因此，利用电流-电压特性的线性部分计算了由于施加应力引起的电阻值及其变化。
图4. 由于外加应力，硅纳米线的电阻变化。（1号见表一)。
图1 给出了纳米线压敏电阻在室温下的电阻变化与外加应力的关系。 得到了电阻变化率与外加应力之间的线性关系。利用SIMOX衬底的简单悬臂梁，将应力施加到纳米线压敏电阻上（长22.5毫米，宽1.5毫米，厚度0.625毫米）。假定基片上的应变完全传输到纳米线压敏电阻中。从这个假设出发，通过胡克定律计算了纳米线压敏电阻中的应力。关于这一假设的有效性我们将在将在下一节中进行讨论。
图5. 尺寸对纵向和横向压阻系数的影响。图5 给出了纳米线压电阻器的纵向和横向压阻系数（pi;l[011]和pi;t[011]）与 纳米丝压敏电阻的横截面积的关系。纳米线压电阻器的纵向压阻系数pi;l[011]随截面积的减小而增大，而横向压阻系数pi;t[011]随着截面纵横比的减小则减小。 Tufte和Stelzer利用p型硅扩散层得到的纵向压阻系数pi;l[001]和横向压阻系数pi;t[001]在表面杂质浓度Ns等于5*10^19（厘米^-3）的情况下的数值为31*10^-5（1/兆帕）和-31*10^-5（1/兆帕）[15]。纵向压阻系数pi;l[011]在表面杂质浓度Ns等于5*10^19（厘米^-3）的情况下的最小的数值大约是30*10^-5（1/兆帕）并且非常接近Tufte和Stelzer获得的值。纵向压阻系数pi;l[011]在表面杂质浓度Ns等于5*10^19（厘米^-3）的情况下的最大的数值大约是48*10^-5（1/兆帕）。因此，随着截面变化的最大增大大约是60%。同时横向压阻系数pi;t[011]的在表面杂质浓度Ns等于5*10^19（厘米^-3）的情况下的最大绝对值大约是|20|*10^-5（1/兆帕），这一结果小于Tufte和Stelzer获得的值。横向压阻系数pi;t[011]的在表面杂质浓度Ns等于5*10^19（厘米^-3）的情况下的最小绝对值结果是|4|*10^-5（1/兆帕），这一结果是最大绝对值结果的五分之一。注意，横向压阻系数pi;t[011]有负值。关于这些现象我们将在下一节中简要的进行讨论 。在多晶硅纳米线压敏电阻[9]中也能观察到类似的现象。
讨论
从表一可以看出，电阻的实验值高于计算。合理地假设纳米线压敏电阻的两侧表面在RIE过程中受到损坏，顶部表面受到EB电阻的保护。 从两个侧面的损伤深度可以推断为每个纳米线压敏电阻具有相同的量，因为使用相同的RIE条件。这意味着有效截面面积的百分比减少，即阻力的增加，对于由于相同的损伤深度而设计较小的截面面积更有意义。事实上，实验中的百分比差异和计算的电阻似乎是横截面或横截面积的纵横比的函数，并且随着增加而增加 纵横比或随截面积的减小而减小。损伤区域可能是表面耗尽层。载流子被困在表面耗尽层[16]，有效横截面积减小，电阻增加.。然而，如果我们通过假设一个简单的矩形截面，并利用实验中的百分比差数据和计算的电阻来推断耗尽层深度，则数值从12纳米到32纳米不等。 因此，恒定耗尽层深度的假设不成立。这一点需要我们进一步的定量调查。为了研究纵向压阻系数（pi;l[011]）的增强行为，基于空穴能量的考虑，对纳米线中的压阻进行了分析。首先对体硅的价带结构进行了综述，并将其推广到纳米线上.。
在室温下，大多数孔都位于k等于零的动量空间中。在这种情况下，必须根据Bir和Pikus[17]，[18]的模型，考虑自旋轨道相互作用的空穴能量的高温近似。在高温近似下，体硅在主坐标系下的空穴能量（ 标志重洞，-标志轻洞）[18]正如（4）-（7）页面底部所示，在（4）-（7）中出现的ABC和D是逆质量参数，b和d是变形势常数。S11,S12和S44是立方顺应常数。这些参数的值分别是
基于（4)-(7），可以导出由于应力引起的空穴能量和空穴传导质量位移：
从（8)和(9可以看出，空穴能量的位移只依赖于Xij和独立于ki，同时，空穴传导质量位移取决于Xij和ki。
在对纳米线进行压阻分析之前，根据先前的文献[22]-[24]分配了一些基本假设。
- 纳米线[22]中预计会有完整的一维空穴传输。
- 沿纳米线的纵向方向，价带结构与体硅相似[23]。
- 有效质量的一维态密度相当于沿纳米线的纵向传导质量，横向传导质量可以忽略不计[22]。
- 在应力作用下，空穴总数保持不变，空穴转移发生在耗尽区[24]。
- 弛豫时间为常数，它有各向同性[24]。
基于这一初步考虑，在一维情况下研究了由于应力引起的空穴转移和空穴传导传质，导出了纳米丝的压阻系数。在一维载体气的情况下，空穴浓度与三维相似正如：
其中，Fn是费米-狄拉克积分的阶数的n阶，eta;F是还原的费米能量。通过利用（6)至(8和假设(c)、(d)和(e)，重孔（i等于1）和轻孔（i等于2）应力引起的空穴浓度变化是
<stro
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</stro
资料编号：[234821]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
