CN102923635A

CN102923635A - 纳米流体二极管及其制造方法

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Publication number: CN102923635A
Application number: CN201210415048XA
Authority: CN
Inventors: 弓晓晶; 刘磊; 邱永鑫; 王子武; 张锦平; 王建峰; 徐科
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102923635B

Abstract

本发明提供一种纳米流体二极管，包括支撑衬底、氧化物掩膜层以及纳米孔道；所述氧化物掩膜层覆盖于支撑衬底表面；在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向，所述纳米孔道贯穿所述支撑衬底；所述纳米孔道表面具有一覆盖层，所述覆盖层与支撑衬底由不同的材料构成，利用支撑衬底与覆盖层异质结构界面中二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层表面具有正电荷聚集；所述氧化物掩膜层具有一通孔，所述通孔贯穿所述氧化物掩膜层并与纳米孔道相通，所述氧化物掩膜层的通孔表面具有负电荷聚集。本发明纳米流体二极管及其制造方法制备工艺简单、易形成PN接触。

Description

纳米流体二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及微纳流器件与工艺技术领域，尤其涉及一种基于半导体纳米孔道的纳米流体二极管及其制造方法。

背景技术

水和离子组成的流体进入纳米管道后，整个体系被称为微纳流系统，其中有一些非常有趣的限域现象：当纳米管道尺寸小于德拜长度(Debye screening length)时，由于尺寸效应，表面带负电的纳米管道基本被正离子占据，产生单一极性(unipolar)类似半导体材料中的p型掺杂；表面带正电的纳米管道中则几乎为负离子占据，类似半导体材料中的n型掺杂。若通过外场改变管道内壁电荷分布就可以改变进入管内离子的类型或者流量大小，这样便具备了类似场效应管的特点；若把表面具有不同电性的纳米管道接联起来，管道一半被负电荷占据，另一半被正电荷占据，就可以形成类似半导体器件的二极管，具有整流效应，可以应用于微流控集成电路中，还可以广泛用于纳米流体电池(nanofluidic battery)，分子级的化学分析、分离，传感器及纯水净化当中。

目前采用氧化硅、氧化铝等氧化物纳米管道应用于微纳流二极管中，其中利用氧化物表面具有零电荷点(point of zero charge)的特点，通过溶液PH值控制氧化物表面带有正电荷或者负电荷。但是生长不同氧化物管道的PN结工艺复杂，具有很大挑战。III族氮化物异质结构界面中存在二维电子气，可以使得表面带有净的正电荷，并且不依赖于溶液pH值，可以吸附溶液中的负离子，形成二极管中的N极。III族氮化物异质结构界面二维电子气可以介导表面电荷受到门控电压的精确调控，氮化物热力学、化学稳定性强。这些性质是利用其形成纳米流体二极管的物理基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备工艺简单、容易形成PN接触的纳米流体二极管及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种纳米流体二极管，包括支撑衬底、氧化物掩膜层以及纳米孔道；所述氧化物掩膜层覆盖于支撑衬底表面；在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向，所述纳米孔道贯穿所述支撑衬底；所述纳米孔道表面具有一覆盖层，所述覆盖层与支撑衬底由不同的材料构成，利用支撑衬底与覆盖层异质结构界面中二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层表面具有正电荷聚集；所述氧化物掩膜层具有一通孔，所述通孔贯穿所述氧化物掩膜层并与纳米孔道相通，所述氧化物掩膜层的通孔表面具有负电荷聚集。

进一步，所述支撑衬底的材料选自于III-V族化合物半导体。

进一步，所述覆盖层的材料选自于III-V族化合物半导体合金。

进一步，所述支撑衬底的材料为GaN，所述覆盖层的材料为AlGaN或InGaN。

进一步，所述氧化物掩膜层的材料为氧化硅。

一种上述纳米流体二极管的制造方法，包括如下步骤：

（1）提供一支撑衬底；

（2）在支撑衬底表面沉积氧化物掩膜层；

（3）形成一贯穿氧化物掩膜层及部分支撑衬底的窗口；

（4）在窗口中生长一基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐，所述基质与支撑衬底形成异质结构，所述基质在后续步骤中用于形成覆盖层；

（5）在所述基质的表面沉积氧化物掩膜，直至与步骤（2）中的氧化物掩膜层的表面平齐，两次形成的氧化物掩膜层共同形成覆盖支撑衬底的氧化物掩膜层；

（6）去除部分支撑衬底，使得支撑衬底的表面与基质的表面平齐，所述支撑衬底表面与基质的表面均指与氧化物掩膜接触面相对的一面；

（7）在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向形成纳米孔道及通孔，所述纳米孔道贯穿支撑衬底，所述通孔贯穿氧化物掩膜，所述基质在纳米孔道表面形成覆盖层，所述通孔与纳米孔道相通。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用分子束外延生长的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用金属有机化合物化学气相沉淀的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用氢化物气相外延的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

本发明的优点在于，支撑衬底与覆盖层形成的异质结构界面中存在的二维电子气形成的电荷分布，使得纳米孔道表面带正电荷，吸引溶液中电性相反的负电荷的聚集，形成类似PN结中的N极，该表面电荷正负性的调控不依赖溶液pH值。利用氧化物表面具有零电荷点(point of zero charge)的特点，通过溶液PH值控制氧化物表面带有负电荷，吸引溶液中电性相反的正电荷的聚集，形成类似PN结中的P极。本发明可以较简便的在衬底上方覆盖氧化物掩膜层，较易形成PN接触且制备工艺简单。本发明对于实现各种高性能的基于纳米流体二极管的新型纳米器件具有重要作用。

附图说明

图1所示为本发明纳米流体二极管的截面示意图；

图2A~图2G所示为本发明纳米流体二极管制备方法工艺图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的纳米流体二极管及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

图1所示为本发明纳米流体二极管的截面示意图。参见图1，纳米流体二极管包括支撑衬底1、氧化物掩膜层2及纳米孔道3。所述氧化物掩膜层2覆盖于所述支撑衬底1的表面。在沿垂直于氧化物掩膜层2与支撑衬底1的接触面的方向，所述纳米孔道3贯穿所述支撑衬底1，所述纳米孔道3允许离子通过。所述氧化物掩膜2具有一通孔4，在沿垂直于氧化物掩膜层2与支撑衬底1的接触面的方向，所述通孔4贯穿所述氧化物掩膜层2。所述通孔4与所述纳米孔道3相通。

在纳米孔道3的表面具有一覆盖层5，所述支撑衬底1与覆盖层5形成异质结构，在支撑衬底1与覆盖层5的异质结构界面中存在二维电子气，利用所述二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层5表面具有正电荷聚集，从而可以吸引溶液中具有相反电性的负电荷聚集，形成类似PN结中的N极，该表面电荷正负性的调控不依赖溶液pH值。

氧化物掩膜层2的表面具有零电荷点(point of zero charge)的特点，通过溶液pH值控制氧化物掩膜层2表面形成电荷分布，当溶液PH值大于零电荷点，氧化物掩膜表面具有负电荷；反之具有正电荷，该调控取决于氧化物掩膜表面-OH基团的电离程度，在本发明中，控制溶液PH值大于零电荷点，从而使得通孔4的表面具有负电荷，吸引溶液中具有相反电性的正电荷的聚集，形成类似PN结中的P极。

所述支撑衬底1的材料选自于III-V族化合物半导体；所述覆盖层5的材料选自于III-V族化合物半导体合金。在本实施方式中，所述支撑衬底1的材料为GaN，所述覆盖层5的材料为AlGaN，氧化物掩膜层2材料为氧化硅。在本发明的其他实施方式中，覆盖层5的材料也可以为InGaN。

下面提供本发明所述方法的第一具体实施方式，包括如下步骤：步骤S20，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S21，在支撑衬底的表面沉积氧化物掩膜层；步骤S22，形成一贯穿氧化物掩膜层及部分支撑衬底的窗口；步骤S23，在窗口中生长一基质，直至所述基质上表面与支撑衬底上表面平齐，所述基质在后续步骤中用于形成纳米孔道的覆盖层；步骤S24，在基质上表面沉积氧化物掩膜层，直至与步骤S21中的氧化物掩膜层的表面平齐，两次形成的氧化物掩膜层共同形成覆盖支撑衬底表面的氧化物掩膜层；步骤S25，去除部分支撑衬底，使得支撑衬底的表面与基质的表面平齐，所述支撑衬底表面与基质的表面均指与氧化物掩膜层接触面相对的一面；步骤S26，在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向形成纳米孔道及通孔，所述纳米孔道贯穿支撑衬底，所述通孔贯穿氧化物掩膜层，所述基质在纳米孔道表面形成覆盖层，所述通孔与纳米孔道相通。

步骤S20中，所述支撑衬底的材料是III-V族化合物半导体，比如可以为GaN。

步骤S21中，沉积方法可以采用本领域技术人员熟知的方法，此处不再详细叙述，所述的氧化物掩膜层可以为氧化硅材料。

步骤S22中，可以采用光刻和刻蚀的技术形成所述窗口，关于光刻和刻蚀技术的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤S23中，所述覆盖层的材料是III-V族化合物半导体合金，关于外延生长多元III-V族化合物半导体合金的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤S24中，在覆盖层表面沉积的氧化物掩膜层与步骤S21中在支撑衬底的表面沉积的氧化物掩膜层为相同物质。

步骤S25中，采用本领域技术人员熟知的方法去除部分支撑衬底，在此不再详细叙述。

步骤S26中，可以利用聚焦离子束技术（FIB）形成纳米孔道及通孔，关于聚焦离子束（FIB）技术的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

下面以GaN晶体作为支撑衬底，AlGaN作为覆盖层，氧化硅作为氧化物掩膜层为例给出实施例一。

步骤一，参考附图2A，提供一支撑衬底即GaN晶体120；

步骤二，参考附图2B，在支撑衬底GaN晶体120的表面沉积氧化硅掩膜层110。

步骤三，参考附图2C，利用光刻和刻蚀技术形成一贯穿氧化硅掩膜层110及部分支撑衬底GaN晶体120的窗口。

步骤四，参考附图2D，在窗口上外延生长一基质即AlGaN合金130，直至所述基质AlGaN合金130上表面与支撑衬底GaN晶体120上表面平齐，所述基质在后续步骤中用于形成覆盖层。

在本实施例中，采用分子束外延生长（MBE）的方法生长基质AlGaN合金130，该方法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤五，参考附图2E，在基质AlGaN合金130的上表面沉积氧化物掩膜层110，直至与步骤二中的氧化硅薄膜110的表面平齐，两次形成的氧化物掩膜层共同形成覆盖支撑衬底GaN晶体120表面及基质即AlGaN合金130表面的氧化硅薄膜覆盖层110。

步骤六，参考附图2F，去除部分支撑衬底GaN晶体120，使得支撑衬底GaN晶体120的表面与基质AlGaN合金130的表面平齐，暴露出基质AlGaN合金130的表面，此处所述的支撑衬底GaN晶体120的表面与基质AlGaN合金130的表面均指与氧化物掩膜层接触面相对的一面。

步骤七，参考附图2G，利用聚焦离子束（FIB）技术在沿垂直AlGaN合金130与氧化硅薄膜覆盖层110接触面的方向形成纳米孔道140及通孔150，所述纳米孔道140贯穿支撑衬底120，所述通孔150贯穿氧化物掩膜层110，所述基质在纳米孔道表面形成覆盖层130，所述通孔150与纳米孔道140相通。

以GaN晶体作为支撑衬底，AlGaN作为覆盖层，氧化硅作为氧化物掩膜层为例给出实施例二。在本实施例中，步骤四采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）的方法生长覆盖层即AlGaN合金130，该方法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述，其它步骤与实施例一相同。

以GaN晶体作为支撑衬底，AlGaN作为覆盖层，氧化硅作为氧化物掩膜层为例给出实施例三。在本实施例中，步骤四采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）的方法生长覆盖层即AlGaN合金130，该方法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述，其它步骤与实施例一相同。

以GaN晶体作为支撑衬底，AlGaN作为覆盖层，氧化硅作为氧化物掩膜层为例给出实施例四。在本实施例中，步骤四采用氢化物气相外延（HVPE）的方法生长覆盖层即AlGaN合金130，该方法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述，其它步骤与实施例一相同。

在本发明的其它实施例中，也可以采用InGaN合金作为覆盖层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种纳米流体二极管，包括支撑衬底、氧化物掩膜层以及纳米孔道；所述氧化物掩膜层覆盖于支撑衬底表面；在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向，所述纳米孔道贯穿所述支撑衬底；其特征在于，所述纳米孔道表面具有一覆盖层，所述覆盖层与支撑衬底由不同的材料构成，利用支撑衬底与覆盖层异质结构界面中二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层表面具有正电荷聚集；所述氧化物掩膜层具有一通孔，所述通孔贯穿所述氧化物掩膜层并与纳米孔道相通，所述氧化物掩膜层的通孔表面具有负电荷聚集。

2.根据权利要求1所述的纳米流体二极管，其特征在于，所述支撑衬底的材料选自于III-V族化合物半导体。

3.根据权利要求1所述的纳米流体二极管，其特征在于，所述覆盖层的材料选自于III-V族化合物半导体合金。

4.根据权利要求1所述的纳米流体二极管，其特征在于，所述支撑衬底的材料为GaN，所述覆盖层的材料为AlGaN或InGaN。

5.根据权利要求1所述的纳米流体二极管，其特征在于，所述氧化物掩膜层的材料为氧化硅。

6.一种如权利要求1所述的纳米流体二极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）提供一支撑衬底；（2）在支撑衬底表面沉积氧化物掩膜层；（3）形成一贯穿氧化物掩膜层及部分支撑衬底的窗口；（4）在窗口中生长一基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐，所述基质与支撑衬底形成异质结构，所述基质在后续步骤中用于形成覆盖层；（5）在所述基质的表面沉积氧化物掩膜，直至与步骤（2）中的氧化物掩膜层的表面平齐，两次形成的氧化物掩膜层共同形成覆盖支撑衬底的氧化物掩膜层；（6）去除部分支撑衬底，使得支撑衬底的表面与基质的表面平齐，所述支撑衬底表面与基质的表面均指与氧化物掩膜层接触面相对的一面；（7）在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向形成纳米孔道及通孔，所述纳米孔道贯穿支撑衬底，所述通孔贯穿氧化物掩膜层，所述基质在纳米孔道表面形成覆盖层，所述通孔与纳米孔道相通。

7.根据权利要求6所述的纳米流体二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）进一步包括步骤：利用分子束外延生长的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

8.根据权利要求6所述的纳米流体二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）进一步包括步骤：利用金属有机化合物化学气相沉淀的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

9.根据权利要求6所述的纳米流体二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）进一步包括步骤：利用氢化物气相外延的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。