CN103107065B - 一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米线器件的制备方法，可应用于纳米线微电子和光电子器件；本发明的特征是：在衬底表面通过刻蚀形成凹槽结构，利用凹槽固定纳米线，实现纳米线排列位置的精确控制；同时可以在凹槽表面形成导电层，作为纳米线器件的栅极、加热电极或光学反射镜。该方法具有工艺简单、适合规模化制备的特点。

Description

一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米线器件的制备方法，可用于纳米线微电子和光电子器件。
背景技术
纳米技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，半导体纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是未来微纳器件的基本结构[Mater.Today，9(2006)18-27]。近年来，半导体纳米线的研究工作取得了很大进展，其应用领域包括集成电路[Nature，470(2011)240-244]、晶体管[Nano Letters，8(2008)925-930]、激光器[Science，292(2001)1897-1899]、单光子器件[NatureNanotechnology，5(2010)195-199]、LED[Nano Letters，6(2006)1719-1722，]、以及太阳能电池[Nano Lett.，10(2010)1082-1087]等。
尽管半导体纳米线具有很重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化还亟需解决一系列问题，其中的关键问题是如何对极其纤细(直径细至几个纳米)的纳米线进行操控、组装和加工。
制备纳米线器件一般需要先将纳米线转移并平放到另一衬底上(通常是杂乱堆放)，然后用电子束光刻工艺逐一寻找合适的纳米线进行光刻加工[NanoLetters，8(2008)925-930]；这种针对单根纳米线加工的工艺无法实现大规模批量制备，而且电子束光刻的速度很慢、价格昂贵。因此，简化纳米线器件工艺、降低制备难度，是纳米线器件产业化所面临的问题。
为此，人们发明了各种有序排列和组装纳米线的方法，包括：利用分子间的氢键和范德瓦尔斯力排列纳米线[Adv.Mater.13(2001)249]，利用静电力排列纳米线[NanoLett.8(2008)1853]，利用剪切力排列纳米线[Science 291(2001)630；Nano Lett.3(2003)1229；Nano Lett.7(2007)773]，利用磁力排列纳米线[Chem.Mater.17(2005)1320]和利用介电泳排列纳米线[J.Appl.Phys.101(2007)073704]。
上述的排列方法，可以控制纳米线阵列的排列方向，但是无法将纳米线精确固定于特定位置。但是，纳米线器件的大规模制备，不仅需要控制纳米线的排列方向，更需要控制纳米线的排列位置。因此设计研发纳米线的精确排列技术和大规模器件制备方法，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明旨在解决纳米线的精确排列问题，提出了“一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法”；该方法通过凹槽结构精确控制纳米线的排列位置，具有工艺简单、适合规模化制备的特点。
一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过光刻、刻蚀工艺在衬底表面制备细长条的凹槽结构；
(2)在所述凹槽结构的表面依次形成绝缘层和导电层，用于制备纳米线器件的栅极、加热电极或光学反射镜；
(3)将含有纳米线的溶液，滴在衬底的表面，通过外力使得纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，此时纳米线通过运动陷入凹槽内，从而被凹槽固定；
(4)清洗衬底，将未陷入凹槽的纳米线清洗出去，而陷入凹槽的纳米线则会留在凹槽内；
(5)通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，实现纳米线器件。
其中，可以在步骤(1)之前，在硅衬底表面氧化形成一层SiO2薄层，利用SiO2薄层作为掩膜。
其中，在步骤(1)之前，在硅衬底表面生长一层SiNx薄层，利用该SiNx薄层作为掩膜。
其中，所述凹槽的宽度接近或大于纳米线的直径，所述凹槽的长度接近或大于纳米线的长度。
其中，通过调节所述凹槽的宽度，实现一个凹槽内容纳单根或多根纳米线。
其中，所述外力是静电力、磁力、剪切力、介电泳力或分子力。
其中，所述凹槽的截面形状是锥形、梯形或弧形。
其中，所述衬底材料优选自硅、玻璃、Al2O3、GaAs和InP。
其中，所述纳米线材料有选自Si、In2O3、SnO2、GeSi、ZnO、GaAs、AlInGaAsP、InP、GaN、AlInGaN和InGaSb。
其中，所述导电层的材料优选自Cr、Ti、Ni、Pt和Au。
附图说明
附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。
图1为在衬底表面制备的凹槽结构的示意图。
图2为在衬底上定向排列纳米线的示意图。
图3为纳米线被固定在凹槽位置的示意图。
图4为在纳米线上制备电极的示意图。
图5为各种截面形状的凹槽结构示意图。
图6为纳米线在凹槽内的排列的示意图。
图7为在凹槽表面生长各种薄层结构的示意图。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
首先，在硅衬底表面氧化形成一层SiO2薄层，利用SiO2薄层作为掩膜，通过光刻、刻蚀工艺在硅衬底表面制备细长条的凹槽结构，如图1所示；
其次，在凹槽表面依次生长SiNx绝缘膜、Cr-Au金属膜、以及聚酰亚胺绝缘膜，其中的金属膜可用于加热纳米线器件，如图7所示。
然后，将含有GeSi纳米线的溶液，滴在衬底表面，通过介电泳使纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，部分纳米线能陷入凹槽中，如图2所示；
接着清洗衬底，将凹槽外的纳米线除去，只有凹槽内的纳米线留下，如图3所示；
最后，通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，如图4所示。
实施例2
首先，在GaAs衬底表面刻蚀出细长条的凹槽结构，如图1所示；
其次，在凹槽表面依次生长SiNx绝缘膜、Ti-Pt-Ni金属膜、以及BCB绝缘膜，其中的金属膜用于制备纳米线晶体管的栅极，如图7所示。
然后，将含有ZnO纳米线的溶液，滴在衬底表面，通过静电力使纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，部分纳米线能陷入凹槽中，如图2所示；
接着清洗衬底，除去凹槽外的纳米线，只有凹槽内的纳米线留下，如图3所示；
最后，通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，如图4所示。
实施例3
首先，在玻璃衬底表面刻蚀出细长条的凹槽，如图1所示；
然后，将含有AlInGaAsP纳米线的溶液，滴在衬底表面，通过剪切力使纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，部分纳米线能陷入凹槽中，如图2所示；
接着清洗衬底，将凹槽外的纳米线除去，只有凹槽内的纳米线留下，如图3所示；
最后，通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，如图4所示。
实施例4
首先，在硅衬底表面生长一层SiNx薄层，利用该薄层作为掩膜，通过光刻、刻蚀工艺在硅衬底表面制备细长条的凹槽结构，如图1所示；
其次，在凹槽表面依次生长SiNx绝缘膜、Cr-Au金属膜、以及聚酰亚胺绝缘膜，其中的金属膜可作为纳米线发光器件的光学反射镜，如图7所示。
然后，将含有AlInGaN纳米线的溶液，滴在衬底表面，通过磁力使得纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，部分纳米线能陷入凹槽中，图2所示；
接着，清洗衬底，将凹槽外的纳米线除去，只有凹槽内的纳米线留下，如图3所示；
最后，通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，如图4所示。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (9)

1.一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过光刻、刻蚀工艺在衬底表面制备细长条的凹槽结构；
(2)在所述凹槽结构的表面依次形成绝缘层和导电层，用于制备纳米线器件的栅极、加热电极或光学反射镜；
(3)将含有纳米线的溶液，滴在衬底的表面，通过外力使得纳米线的排列方向与凹槽的方向一致，此时纳米线通过运动陷入凹槽内，从而被凹槽固定；
(4)清洗衬底，将未陷入凹槽的纳米线清洗出去，而陷入凹槽的纳米线则会留在凹槽内；
(5)通过光刻、镀膜工艺在纳米线上制备电极结构，实现纳米线器件。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在凹槽结构的表面依次生长SiNx绝缘膜、Cr-Au金属膜、以及聚酰亚胺绝缘膜，或者依次生长SiNx绝缘膜、Ti-Pt-Ni金属膜、以及BCB绝缘膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，在步骤(1)之前，在硅衬底表面生长一层SiNx薄层或者SiO2薄层，利用该SiNx薄层或者SiO2薄层作为掩膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，所述凹槽的宽度大于纳米线的直径，所述凹槽的长度大于纳米线的长度。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，通过调节所述凹槽的宽度，实现一个凹槽内容纳单根或多根纳米线。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，所述外力是静电力、磁力、剪切力、介电泳力或分子力。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，所述凹槽的截面形状是锥形、梯形或弧形。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，所述衬底材料选自硅、玻璃、Al2O3、GaAs和InP。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于纳米线有序排列的纳米线器件的制备方法，其特征在于，所述纳米线材料选自Si、In2O3、SnO2、GeSi、ZnO、GaAs、AlInGaAsP、InP、GaN、AlInGaN和InGaSb。
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