CN101870453A - 半导体纳米柱阵列结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体纳米柱阵列结构的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在一半导体衬底上生长铝层；步骤2：对铝层进行阳极氧化，形成孔洞由表面直达半导体衬底，形成多孔氧化铝膜；步骤3：在多孔氧化铝膜的表面淀积金属，在多孔氧化铝膜的孔洞内形成金属点；步骤4：将多孔氧化铝膜湿法腐蚀掉，从而在半导体衬底上形成金属点阵列；步骤5：以金属点阵列为掩膜对半导体衬底进行刻蚀，去掉金属点阵列，在半导体衬底上形成半导体纳米柱阵列。

Description

半导体纳米柱阵列结构的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体纳米结构的制备技术，更具体地说，本发明涉及到以多孔阳极氧化铝膜为模板，在孔中淀积金属点实现图形反转移，获得半导体纳米柱阵列结构的方法。

背景技术

随着纳米尺寸器件在微电子学、光学和生物化学等方面的应用价值日益突出，高度有序的纳米点、纳米柱(纳米线)等低维阵列结构体系由于其量子尺寸所带来的光、电、磁等特性越来越受到广泛的重视。常用的制备纳米阵列结构的方法有聚焦离子束和电子束曝光法、自组织生长法、模板法以及其他方法。聚焦离子束和电子束曝光法成本高、周期长且不能制备大面积纳米阵列；自组织生长法产率低，且无法调控纳米结构的几何特征；而模板法具有成本低，适应面广，易于调控纳米阵列结构等特点。以多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina，PAA)为模板进行图形转移是制备纳米阵列结构的常用方法。PAA模板由电化学方法制备，能够自组织生长成六度对称的多孔结构，具有孔道竖直、孔尺寸可调、大面积有序等优点，是制备低维纳米阵列结构的理想模板。

由于PAA模板的孔直径已经达到几十纳米量级，在利用其制备纳米结构时对图形转移工艺提出了较高的要求。目前常见的是在PAA模板底部预先淀积一层金属作为导电层，通过电镀工艺制备金属纳米点或纳米线阵列，然而利用PAA制备半导体纳米结构还比较困难。本发明提供了一种获得半导体衬底上纳米柱阵列结构的方法。利用两步图形转移方法，先在PAA孔中沉积金属点，快速热退火使金属点与衬底结合紧密，去除PAA模板后以金属点阵列为掩膜刻蚀衬底，即可得到半导体纳米柱阵列。此方法便于调控纳米结构的几何参数，实现简单，效率高。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体纳米柱阵列结构的制作方法，。

本发明提供一种半导体纳米柱阵列结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一半导体衬底上生长铝层；

步骤2：对铝层进行阳极氧化，形成孔洞由表面直达半导体衬底，形成多孔氧化铝膜；

步骤3：在多孔氧化铝膜的表面淀积金属，在多孔氧化铝膜的孔洞内形成金属点；

步骤4：将多孔氧化铝膜湿法腐蚀掉，从而在半导体衬底上形成金属点阵列；

步骤5：以金属点阵列为掩膜对半导体衬底进行刻蚀，去掉金属点阵列，在半导体衬底上形成半导体纳米柱阵列。

其中铝层的生长方法是采用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射的方法。

其中在多孔氧化铝膜孔中淀积金属的方法是采用蒸发、溅射、化学气相沉积、原子层沉积或化学镀的方法。

其中在多孔氧化铝膜的表面淀积的是金属单质、合金或金属化合物。

其中半导体衬底的材料是体材料，或是量子阱或超晶格多层结构材料。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：

图1(A)-(F)是本发明的一个制备硅基纳米柱阵列结构的工艺流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种半导体纳米柱阵列结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一半导体衬底1上生长铝层2，如图1(A)，铝层2的厚度为2μm，该铝层2的生长是采用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射的方法，半导体衬底是Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物或Ⅱ-Ⅵ族化合物的体材料或多层结构材料；

步骤2：对铝层2进行阳极氧化，形成孔洞由表面直达半导体衬底1，形成多孔氧化铝膜3；

阳极氧化的过程采用二次氧化法，具体方法为以铝层2为阳极，铂片为阴极，在电解液中进行第一次氧化，电解液为草酸水溶液，氧化过程在水浴10℃下进行，接通直流恒压40V电源。第一次氧化时间为15’。阳极氧化后铝层表面形成孔呈六方排列的多孔氧化铝膜3，孔道与半导体衬底1表面垂直，底部阻挡层呈U型。多孔氧化铝膜3底部仍保留一层没有被氧化的铝层2，厚度由第一次氧化时间控制。

将第一次阳极氧化生成的多孔氧化铝层全部腐蚀掉。腐蚀后铝层表面形成排列有序的凹坑。对剩下的铝层进行第二次氧化，条件与第一次氧化相同。氧化过程进行到半导体衬底-铝界面时立即停止，时间为9’5”，在衬底1上获得多孔氧化铝膜3(其底部阻挡层为反型)，多孔氧化铝膜3的厚度为700nm。将氧化铝底部的阻挡层湿法腐蚀掉，获得孔底穿通的多孔氧化铝膜3(如图1(B))。二次氧化法的作用有二，一是提高多孔氧化铝膜3孔排列的有序度，二是通过控制一次氧化的时间减薄膜厚度。

步骤3：在多孔氧化铝膜3的表面淀积金属，使金属沉积在多孔氧化铝膜3的孔洞内形成金属点4(如图1(C))。其中在多孔氧化铝膜3的表面淀积的是金属单质、合金或金属化合物，淀积的方法是采用蒸发、溅射、化学气相沉积、原子层沉积或化学镀的方法。淀积金属时使金属沉积在孔底，与半导体衬底接触，同时控制金属的厚度，使金属在孔中部分填充而不能覆盖到孔表面。

步骤4：将多孔氧化铝膜3湿法腐蚀掉，选择只腐蚀多孔氧化铝而不腐蚀该金属的腐蚀液，从而在半导体衬底1上形成金属点阵列(如图1(D))。金属点呈圆柱状，彼此分立，平均高度为50nm，平均直径为80nm，平均间距为100nm。

步骤5：以金属点阵列为掩膜对半导体衬底1进行干法刻蚀或湿法腐蚀(如图1(E))，然后腐蚀去掉金属点阵列，在半导体衬底1上形成半导体纳米柱阵列5(如图1(F))。

以上只是举出一个实施的例子，在制备过程中衬底1可以选择不同的半导体材料和结构，如硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族半导体材料以及p-n结、量子阱等结构。阳极氧化过程可以通过不同的电解液，如草酸、磷酸、硫酸、乳酸溶液等，不同的温度和电压条件来生长结构参数不同的氧化铝膜。在孔中淀积金属点的方法可以选择蒸发、溅射、化学气相沉积、原子层沉积、化学镀等多种方法，金属可以根据需要选择金属(包括合金)，金属化合物，如氧化锌、硫化镉等物质。对衬底的刻蚀也可以选择干法刻蚀或湿法腐蚀技术。

本发明的核心思想是用两步图形转移法实现半导体纳米柱阵列结构，几何参数(直径、高度、间距)达到几十纳米以下，便于调控，纳米结构阵列有序度高，且能够大面积制备，实现简单，效率高。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种半导体纳米柱阵列结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在一半导体衬底上生长铝层；

步骤2：对铝层进行阳极氧化，形成孔洞由表面直达半导体衬底，形成多孔氧化铝膜；

步骤3：在多孔氧化铝膜的表面淀积金属，在多孔氧化铝膜的孔洞内形成金属点；

步骤4：将多孔氧化铝膜湿法腐蚀掉，从而在半导体衬底上形成金属点阵列；

步骤5：以金属点阵列为掩膜对半导体衬底进行刻蚀，去掉金属点阵列，在半导体衬底上形成半导体纳米柱阵列。

2.根据权利要求1所述的半导体纳米柱阵列结构的制作方法，其中铝层的生长方法是采用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射的方法。

3.根据权利要求1所述的半导体纳米柱阵列结构的制作方法，其中在多孔氧化铝膜孔中淀积金属的方法是采用蒸发、溅射、化学气相沉积、原子层沉积或化学镀的方法。

4.根据权利要求1所述的半导体纳米柱阵列结构的制作方法，其中在多孔氧化铝膜的表面淀积的是金属单质、合金或金属化合物。

5.根据权利要求1所述的半导体纳米柱阵列结构的制作方法，其中半导体衬底的材料是体材料，或是量子阱或超晶格多层结构材料。