納米結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明各實(shí)施例系有關(guān)于納米結(jié)構(gòu)、其制造方法、及其應(yīng)用裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]納米結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)塊體(bulk)薄膜型結(jié)構(gòu)顯示出比如量子限制效應(yīng)(quantumconfinement effect)、霍爾-佩奇(Hall-Petch)效應(yīng)、滴溶點(diǎn)(dropping melting point)、共振效應(yīng)(resonance phenomenon)、優(yōu)異的載流子遷移率(carrier mobility)等特點(diǎn)。因此，納米結(jié)構(gòu)被應(yīng)用至化學(xué)電池、太陽能電池、半導(dǎo)體裝置、化學(xué)傳感器、光電裝置及其類似
>j-U ρ?α裝直。
[0003]納米結(jié)構(gòu)是以自上而下(top-down)或自下而上(bottom-up)法所形成。自下而上(bottom-up)法包括汽-液-固(vapor-liquid-solid)生長法與液體生長法。汽-液-固生長法是基于一催化反應(yīng)，比如熱化學(xué)氣相沉積法(Thermal Chemical Vapor Deposit1n ；thermal-CVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposit1n ；M0CVD)、脈沖激光沉積法(Pulsed Laser Deposit1n ;PLD)、與原子層沉積法(AtomicLayer Deposit1n ；ALD)。至于液體生長法,則建議使用自組裝(self-assembly)技術(shù)及水熱法(hydrothermal method)。
[0004]根據(jù)傳統(tǒng)的自下而上(bottom-up)法,將事先準(zhǔn)備好的納米粒子連接至具有經(jīng)修飾表面的基板。然而，這種方法受到納米粒子尺寸約束及納米尺寸分布的限制，產(chǎn)生存儲(chǔ)(memory)再現(xiàn)性及可靠性的問題。換句話說，通過簡單地將納米粒子連接至基板的方法來制造納米結(jié)構(gòu)，看似是不可能改良內(nèi)存效能，除非納米粒子合成技術(shù)產(chǎn)生顯著的進(jìn)展。
[0005]為了克服此限制，可通過自上而下(top-down)法比如微影工藝來制備納米粒子。然而，因?yàn)槭褂米陨隙?top-down)法需要高端(high-end)的微影設(shè)備，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行大量的投資。而且，由于工藝相當(dāng)?shù)貜?fù)雜，量產(chǎn)能力受限。還有，雖然使用電子束實(shí)施蝕刻工藝，仍然很難將納米粒子的尺寸維持在預(yù)定程度(predetermined level)之下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]各實(shí)施例揭示可在短時(shí)間內(nèi)通過市售且符合成本效益的方法而量產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)，及其制造方法。
[0007]各實(shí)施例也揭示具有可控制尺寸的納米粒子的納米結(jié)構(gòu)，及其制造方法。
[0008]各實(shí)施例也揭示在比例經(jīng)縮放的(scaled)應(yīng)用裝置中能夠確保操作穩(wěn)定性、再現(xiàn)性、及可靠性的納米結(jié)構(gòu)。
[0009]各實(shí)施例也揭示具有良好的操作穩(wěn)定性、再現(xiàn)性、及可靠性的納米結(jié)構(gòu)的裝置。
[0010]在一實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)包括:一基板；多個(gè)連接分子，形成于基板之上；以及由與連接分子鍵結(jié)的多個(gè)金屬離子所形成的至少一個(gè)金屬納米粒子。
[0011]連接分子可為通過自組裝(self-assembly)與基板表面鍵結(jié)的有機(jī)單分子。
[0012]納米結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括:一或多個(gè)介電有機(jī)材料與鍵結(jié)至或包覆金屬納米粒子的一無機(jī)氧化物。
[0013]納米結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括:與金屬離子或生長中的納米粒子鍵結(jié)的一或多種類型的有機(jī)表面活性劑。
[0014]金屬納米粒子可具有一粒徑約2.0?3.0nm。
[0015]當(dāng)使用一種有機(jī)表面活性劑，此有機(jī)表面活性劑可為一含氮有機(jī)材料或一含硫有機(jī)材料，且金屬納米粒子可具有一平均粒徑約1.3?1.9nm。
[0016]當(dāng)使用多個(gè)有機(jī)表面活性劑，這些有機(jī)表面活性劑可包括一第一有機(jī)材料及不同種類的一第二有機(jī)材料，其中第一有機(jī)材料可為一含氮有機(jī)材料或一含硫有機(jī)材料，而第二有機(jī)材料可為一相轉(zhuǎn)移催化劑基(phase-transfer catalyst-based)有機(jī)材料。金屬納米粒子可具有一粒徑約0.5?1.2nm。
[0017]基板可具有能夠與連接分子鍵結(jié)的一表面層。
[0018]表面層可為選自下組的一或多種，包括:金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體、及半導(dǎo)體氧化物。
[0019]基板可包括一表面層，其包括由選自下組的至少一種材料，包括:硅氧化物、鉿氧化物、鋁氧化物、鋯氧化物、鋇-鈦復(fù)合氧化物、釔氧化物、鎢氧化物、鉭氧化物、鋅氧化物、鈦氧化物、錫氧化物、鋇-鋯復(fù)合氧化物、氮化硅、氮氧化硅、硅酸鋯、及硅酸鉿。
[0020]連接分子可為有機(jī)單分子且構(gòu)成一連接層(linker layer),其中連接層是由多個(gè)自組裝(self-assembly)至基板的有機(jī)單分子所形成。
[0021]連接層可為一硅烷化合物層，其具有選自下組的至少一官能團(tuán)，包括:胺基(aminegroup)、羧基(carboxyl group)、及硫酉享基(th1l group)。
[0022]每一個(gè)連接分子可包括:與基板的表面鍵結(jié)的一第一官能團(tuán)、與金屬離子鍵結(jié)的一第二官能團(tuán)、及用以將第一官能團(tuán)與第二官能團(tuán)彼此連接的一鏈基(chain group)。
[0023]每一個(gè)連接分子可包括選自下組的一官能團(tuán)，包括:胺基(amine group)、羧基(carboxyl group)、及硫醇基(th1l group),做為與金屬離子鍵結(jié)之官能團(tuán)。
[0024]金屬納米粒子可選自下組,包括:金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子、金屬氮化物納米粒子、金屬碳化物納米粒子、及金屬間化合物(intermetallic compound)納米粒子。
[0025]金屬納米粒子可與彼此分開(separately)配置并形成單一的單分子層。
[0026]納米結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括:一連接層，包括形成于基板之上的連接分子；以及一納米粒子層，包括多個(gè)金屬納米粒子，其中連接層與納米粒子層重復(fù)并交替地堆棧以形成一垂直多堆棧(mult1-stack)結(jié)構(gòu)。
[0027]納米結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括:一介電材料層,形成于垂直多堆棧(mult1-stack)結(jié)構(gòu)中的一上層納米粒子層與一下層連接層之間。
[0028]在另一實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)包括:一基板；多個(gè)連接分子，形成于基板之上，并適于將多個(gè)金屬離子與基板耦合；以及由金屬離子形成的一或多個(gè)金屬納米粒子。
[0029]每一個(gè)連接分子可包括選自下組之一官能團(tuán)，包括:胺基(amine group)、羧基(carboxyl group)、及硫醇基(th1l group),做為與金屬離子鍵結(jié)的官能團(tuán)。
[0030]納米結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括:與金屬離子或納米粒子鍵結(jié)的一或多種的一有機(jī)表面活性劑。
[0031]金屬納米粒子可具有0.5?3.0nm的一平均直徑。
[0032]金屬納米粒子可具有一粒子半徑標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviat1n)等于或小于20%。
【附圖說明】
[0033]本發(fā)明附圖的符號(hào)簡單說明:
[0034]110、210 ?基板
[0035]112、212 ?硅基板
[0036]114、214 ?表面層
[0037]120?連接層
[0038]120A、224?連接分子
[0039]122、126 ?官能團(tuán)
[0040]124?鏈基130、230?金屬離子
[0041]140、240?金屬納米粒子
[0042]150、250?介電有機(jī)材料220?支撐層
[0043]222?介電粒子支撐體
[0044]圖1A?IF為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例顯示納米結(jié)構(gòu)及其制造方法的剖面圖。
[0045]圖2A?2E為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例描述納米結(jié)構(gòu)及其制造方法的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]此后，將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例配合相應(yīng)的附圖詳細(xì)描述單一電子晶體管及其制造方法。然而，本發(fā)明可以不同的形式實(shí)施，且不應(yīng)限于此處所述的實(shí)施例。相反的，通過所提供的實(shí)施例可據(jù)以實(shí)施并完成本發(fā)明，且可充分將本發(fā)明的范疇傳達(dá)給的本領(lǐng)域技術(shù)人員。此外，附圖不一定依照比例繪制，在一些情況下，比例可被放大或縮小以清楚顯示實(shí)施例的特征。在本發(fā)明中，各附圖或?qū)嵤├械膮⒖紨?shù)字對(duì)應(yīng)于具有類似數(shù)字的部分。
[0047]應(yīng)了解的是，于本發(fā)明中“上(on)”與“之上(over)”應(yīng)以最廣泛的方式解讀，這樣一來，“上(on)”不只表示“直接在上(directly on) ”，也代表在具有中間特征或?qū)拥臇|西“上(on)”，而“之上(over) ”也不只表示直接在上(directly on)，也可代表在具有中間特征或?qū)拥臇|西“上(on)”。還應(yīng)注意的是，在本說明書中，組件的“連接(connected)/耦合(coupled) ”不只代表直接與另一組件耦合，也代表通過中間組件與另一組件間接耦合。此外，只要沒有特別提及，單數(shù)形式可包括多數(shù)形式，反之亦然。
[0048]除非特別說明，此處使用的所有用語，包括技術(shù)或科學(xué)用語，具有如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的相同意義。在以下的敘述中，當(dāng)可能使本發(fā)明的專利目標(biāo)不清楚時(shí)，將省略已知功能和構(gòu)造的詳細(xì)描述。
[0049]本發(fā)明第一實(shí)施例的納米結(jié)構(gòu)及其制造方法
[0050]圖1A?IF根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例顯示納米結(jié)構(gòu)及其制造方法的剖面圖。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，納米結(jié)構(gòu)的制造方法可包括:準(zhǔn)備一基板110 (參照?qǐng)D1A);將連接分子120A鍵結(jié)至基板110(參照?qǐng)D1B);將金屬離子130鍵結(jié)至連接分子120A(參照?qǐng)D1C與圖1D);以及通過施加能量以將金屬離子130形成(即，還原或生長)為金屬納米粒子140 (參照?qǐng)D1E)。此方法更可包括提供一介電有機(jī)材料150至包括金屬納米粒子140的基板(參照?qǐng)D1F)。此方法甚至進(jìn)一步可包括在施加能量之前或期間提供一或多種的有機(jī)表面活性劑。
[0052]圖1A顯示準(zhǔn)備好的基板110。參照?qǐng)D1A，基板110可具有一表面層114，其具有能夠與連接分子鍵結(jié)的一官能團(tuán)。例如，基板I1可為一娃基板112,其具有一二氧化娃(S12)層做為表面層114。
[0053]基板110可為一半導(dǎo)體基板、一透明基板、或一可撓性(flexible)基板。基板110的材料、結(jié)構(gòu)、和形狀可根據(jù)其應(yīng)用而不同?；?10也可做為應(yīng)用裝置構(gòu)成組件的物理支撐，或者，基板110可為構(gòu)成組件的原料(raw material)。
[0054]可撓性基板的非限制性例子包括:由聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate ;PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate ;PEN)、聚亞酸胺(polyimide ;PI)、聚碳酸酉旨(polycarbonate ;PC)、聚丙烯(polypropylene ;PP)、三乙?；w維素(triacetyl cellulose ;TAC)、聚醚諷(polyethersulfone ;PES)、與聚二甲基娃氧燒(polydimethylsiloxane ;PDMS)、或前述的混合物所形成的可撓性聚合物基板。當(dāng)使用一可撓性基板時(shí)，基板的表面層114可由具有能夠與連接分子鍵結(jié)的官能團(tuán)(例如:-0H官能團(tuán))的有機(jī)材料形成。
[0055]當(dāng)使用一半導(dǎo)體基板時(shí)，基板可為有機(jī)半導(dǎo)體、無機(jī)半導(dǎo)體、或前述的堆棧結(jié)構(gòu)。
[0056]無機(jī)半導(dǎo)體基板的非限制性例子包括選自下組的材料，包括:第4族半導(dǎo)體，包括硅(Si)、鍺(Ge)、與硅化鍺(SiGe);第3?5族半導(dǎo)體，包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、與磷化鎵(GaP);第2?6族半導(dǎo)體，包括硫化鎘(CdS)與碲化鋅(ZnTe);第4?6族半導(dǎo)體，包括硫化鉛(PbS);以及選自這些材料的二層或更多層的堆棧層。以結(jié)晶學(xué)(crystallography)的角度來說，無機(jī)半導(dǎo)體基板可為一單晶材料、多晶材料、非晶(amorphous)材料、或結(jié)晶材料與非晶材料之混合物。當(dāng)無機(jī)半導(dǎo)體基板為兩層或更多層所堆棧成的堆棧基板時(shí)，每一層可為一單晶材料、多晶材料、非晶(amorphous)材料、或結(jié)晶材料與非晶材料之混合物。
[0057]更明確的說，無機(jī)半導(dǎo)體基板可為包括一晶圓的半導(dǎo)體基板，比如硅(Si)基板112、具有表面氧化層的硅基板、或包括一晶圓的絕緣層硅(SOI)基板。
[0058]當(dāng)使用有機(jī)半導(dǎo)體基板時(shí)，有機(jī)半導(dǎo)體可為一般有機(jī)晶體管、有機(jī)太陽能電池、與有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)領(lǐng)域中所使用的η-型有機(jī)半導(dǎo)體或P-型有機(jī)半導(dǎo)體。有機(jī)半導(dǎo)體的非限制性例子包括:富勒烯衍生物(fullerene-derivatives),比如銅酞菁(copper-phthalocyanine ;CuPc)、聚(3_ 己燒基噻吩)(poly (3-hexylth1phene) ;P3HT)、并五苯(pentacene)、亞酞菁(subphthalocyanines ；SubPc)、富勒烯(fulleren ；C60)、(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酉旨([6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester ；PCBM)與(6，6)-苯基-C70-丁酸甲酯([6, 6]-phenyl-C70