CN103268910B - 一种金属纳米圆环的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属纳米圆环的制备方法，包括：步骤1、在光电器件需要形成金属纳米圆环的薄膜表面依次生长介质层和第一金属层；步骤2、通过退火工艺使所述第一金属薄膜形成金属纳米颗粒；步骤3、以金属纳米颗粒为掩模，刻蚀所述介质层形成介质纳米颗粒；步骤4、去除金属纳米颗粒，并在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长至少一层第二金属薄膜，刻蚀所述至少一层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第二金属薄膜；步骤5、去除所述介质纳米颗粒，最终形成金属纳米圆环。

Description

一种金属纳米圆环的制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件，尤其涉及可提高LED发光效率的金属纳米圆环的制备方法。
背景技术
纳米金属等离激元技术目前在实验上已经被证明是一种可以有效提高LED发光效率的技术。目前普遍采用的金属纳米结构为圆盘形纳米结构，可以主要通过调整金属材料种类和纳米圆盘的半径对金属等离激元的性质进行调控，以满足光电系统的要求。金属圆环结构有两种，包括由一种金属材料构成的纳米圆环100，如图1所示，和由两种金属材料组成的纳米圆环200，如图2所示。对于由一种金属材料构成的纳米圆环100，可以通过调整纳米圆环的材料种类、内径R1和外径R2调整金属等离激元的性质。对于由两种金属材料构成的纳米圆环200，可以通过调整第一金属纳米圆环201的材料种类、第一金属纳米圆环材料的内径R1和外径R2、第二金属纳米圆环202的材料种类、第二金属纳米圆环材料的外径R3调整金属等离激元的性质。由此可见，相比于圆盘形纳米结构，圆环形金属纳米结构可通过更多参数调整等离激元的性质，从而可以在更大范围中更精确地调整金属等离激元的共振能量和散射截面，以满足光电系统的要求。
然而，相比于圆盘形金属纳米颗粒而言，金属纳米圆环的制备更为困难。目前主要是通过电子束光刻等先进的光刻技术进行金属纳米圆环的制备，然而，电子束光刻的显著缺点是成本很高，并且生产效率很低。所以，如何低成本的制备高密度的金属纳米圆环结构成为这种结构得到广泛应用的一个技术难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种低成本制备高密度金属纳米圆环的方法，为这种结构的广泛应用奠定了基础。
本发明公开的金属纳米圆环的制备方法，包括：
步骤1、在光电器件需要形成金属纳米圆环的薄膜表面依次生长介质层和第一金属层；
步骤2、通过退火工艺使所述第一金属薄膜形成金属纳米颗粒；
步骤3、以金属纳米颗粒为掩模，刻蚀所述介质层形成介质纳米颗粒；
步骤4、去除金属纳米颗粒，并在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长至少一层第二金属薄膜，刻蚀所述至少一层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第二金属薄膜；
步骤5、去除所述介质纳米颗粒，最终形成金属纳米圆环。
本发明提出的上述金属纳米圆环的制备方法能够达到更简单制备金属纳米圆环的目的。由于目前普遍采用的金属纳米结构为圆盘形纳米结构，相比于圆盘形纳米结构，圆环形金属纳米结构可通过更多参数调整等离激元的性质，从而可以在更大范围中更精确地调整金属等离激元的共振能量和散射截面，以满足光电系统的要求。相比于圆盘形金属纳米颗粒而言，金属纳米圆环的制备更为困难。本发明中提出的上述方法能低成本制备高密度金属纳米圆环，为这种结构的广泛应用奠定了基础。
附图说明
图1是现有技术中单一金属组成的金属纳米圆环的俯视图；
图2是现有技术中两种金属组成的金属纳米圆环的俯视图；
图3是本发明中优选实施例中金属纳米圆环制备方法流程图；
图4(a)-4(g)是本发明优选实施例中单一金属组成的金属纳米圆环制备的工艺流程示意图；
图5(a)-5(i)是本发明优选实施例中两种金属组成的金属纳米圆环制备的工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下边结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，具体给出制备由单一金属材料组成的金属纳米圆环和由两种金属组成的金属纳米圆环两种实施例。
以可见光波段的LED结构为例，金属纳米圆环可以生长在N型GaN薄膜内部、电子阻挡层内部、P型GaN薄膜内部和P型GaN的表面。下面给出的金属纳米圆环制作方法的两种实施例，均以在P型GaN表面生长金属纳米圆环为例来说明。
图3示出了本发明提出的金属纳米圆环的制备方法流程图。如图3所示，所述金属纳米圆环的制备方法具体包括：
步骤1、在光电器件需要形成金属纳米圆环的薄膜表面依次生长介质层和第一金属层；
步骤2、通过退火工艺使所述第一金属薄膜形成金属纳米颗粒；
步骤3、以金属纳米颗粒为掩模，刻蚀所述介质层形成介质纳米颗粒；
步骤4、去除金属纳米颗粒，并在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长至少一层第二金属薄膜，刻蚀所述至少一层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第二金属薄膜；
步骤5、去除所述介质纳米颗粒，最终形成金属纳米圆环。
图4示出了本发明提出的由单一金属组成的金属纳米圆环的制作流程工艺图。如图4所示，所述单一金属组成的金属纳米圆环的制作方法，具体包括：
步骤1、在衬底401上生长LED基本器件结构，即依次在所述衬底401上生长缓冲层402、N型GaN层403、GaN量子阱404、电子阻挡层405和P型GaN层406；然后在所述P型GaN层406表面依次生长介质层407和第一金属薄膜408；生长完后的结构如图4(a)所示；其中，所述衬底401可以为蓝宝石、Si、SiC等所有能作为LED器件衬底的材料；
步骤2、通过退火工艺，将所述第一金属薄膜408制备成金属纳米颗粒409；所述金属纳米颗粒如图4(b)所示；
步骤3、以所述金属纳米颗粒为掩模，通过刻蚀工艺将所述介质层407刻蚀成介质材料制成的纳米颗粒410；所述介质材料制成的纳米颗粒如图4(c)所示；
步骤4、去除金属纳米颗粒409，去除之后的结构如图4(d)所示；
步骤5、在所述P型GaN层406表面的露出部分、介质纳米颗粒410顶部和介质纳米颗粒410的侧壁生长第二金属薄膜411，如图4(e)所示；
步骤6、利用各向异性干法刻蚀所述第二金属薄膜411，使得在所述介质纳米颗粒410的侧壁形成内部包含有介质纳米颗粒410的金属纳米圆环412，所述内部包含有介质纳米颗粒410的金属纳米圆环412如图4(f)所示；
步骤7、去除介质纳米颗粒410，形成最终的金属纳米圆环412，如图4(g)所示。
图5示出了本发明提出由两种金属组成的金属纳米圆环的制作流程工艺图。如图5所示，所述两种金属组成的金属纳米圆环的制作方法，具体包括：
步骤1、在衬底501上生长LED基本器件结构，即依次在所述衬底501上生长缓冲层502、N型GaN层503、GaN量子阱504、电子阻挡层505和P型GaN层506；然后在所述P型GaN层506表面依次生长介质层507和第一金属薄膜508；生长完后的结构如图5(a)所示；其中，所述衬底501为蓝宝石衬底；
步骤2、通过退火工艺，将所述第一金属薄膜508制备成金属纳米颗粒509；所述金属纳米颗粒如图5(b)所示；
步骤3、以所述金属纳米颗粒为掩模，通过刻蚀工艺将所述介质层507刻蚀成介质材料制成的纳米颗粒510；所述介质材料制成的纳米颗粒如图5(c)所示；
步骤4、去除金属纳米颗粒509，去除之后的结构如图5(d)所示；
步骤5、在所述P型GaN层506表面的露出部分、介质纳米颗粒510顶部和介质纳米颗粒510的侧壁生长第二金属薄膜511，如图5(e)所示；
步骤6、利用各向异性干法刻蚀所述P型GaN层506表面的露出部分及介质纳米颗粒510顶部的第二金属薄膜511，使得在所述介质纳米颗粒510的侧壁形成内部包含有介质纳米颗粒510的金属纳米圆环512，所述内部包含有介质纳米颗粒510的金属纳米圆环512如图5(f)所示；
步骤7、在P型GaN层506表面的露出部分、介质纳米颗粒510的顶部、第一金属纳米圆环512的顶部和第一金属纳米圆环512的侧壁生长第三金属薄膜513，如图5(g)所示；
步骤8、利用各向异性干法刻蚀所述第三金属薄膜513，使得在所述在第一金属纳米圆环512侧壁形成内部包含有介质纳米颗粒510和第一金属纳米圆环512的第二金属纳米圆环514，如图5(h)所示；
步骤9、去除所述介质纳米颗粒510，形成最终的具有两种金属的纳米圆环513，如图5(g)所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属纳米圆环的制备方法，包括：
步骤1、在光电器件需要形成金属纳米圆环的薄膜表面依次生长介质层和第一金属层；
步骤2、通过退火工艺使所述第一金属薄膜形成金属纳米颗粒；
步骤3、以金属纳米颗粒为掩模，刻蚀所述介质层形成介质纳米颗粒；
步骤4、去除金属纳米颗粒，并在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长至少一层第二金属薄膜，刻蚀所述至少一层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第二金属薄膜；
步骤5、去除所述介质纳米颗粒，最终形成金属纳米圆环。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中生长多层第二金属薄膜。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中生长两层第二金属薄膜，且步骤4中生长两层第二金属薄膜的具体过程如下：
步骤41、在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长第一层第二金属薄膜；
步骤42、刻蚀所述第一层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第一层第二金属薄膜，并在带有所述介质纳米颗粒的器件表面和所述介质纳米颗粒的顶部与侧壁生长第二层第二金属薄膜；
步骤43、刻蚀所述第二层第二金属薄膜，仅保留所述介质纳米颗粒侧壁的第一层、第二层第二金属薄膜。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一层、第二层金属薄膜的材质不同。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光电器件包括LED器件，其通过在衬底上依次生长缓冲层、N型层、量子阱、电子阻挡层和P型层而形成。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，其中需要形成金属纳米圆环的薄膜包括LED器件的缓冲层、N型层、电子阻挡层和P型层。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、Si、SiC中的任一种材料。
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