CN104966666A - 一种氮化物纳米线的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物纳米线的制作方法，包括以下工艺步骤：（1）在衬底上外延生长氮化镓缓冲层；（2）将缓冲层蚀刻成具有间隙的均匀分布的纳米尺度的柱状缓冲层；（3）在柱状缓冲层及间隙上沉积氮化硅掩膜层；（4）将激光束聚焦在柱状缓冲层，使氮化镓分解成金属镓纳米点，生成的氮气将柱状上方的掩膜层冲破，形成金属镓纳米点的自催化的催化剂模板；（5）使用金属镓纳米点作为自催化生长的催化剂，外延生长均匀排列的氮化镓纳米线；（6）采用高温氮化方法，使纳米线顶端的金属镓纳米点反应生成氮化镓。

Description

一种氮化物纳米线的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体外延生长、氮化物薄膜生长领域，特别是一种氮化物纳米线的制作方法。
背景技术
由于纳米线具有独特的量子尺寸效应、比表面积大、晶体质量好等优势，制作成纳米尺寸的器件具有优越的性能。氮化物纳米线的生长技术和原理已取得长足的进步，可利用金属液滴作为催化剂或采用自催化的方法生长氮化物纳米线。但由于金属液滴作为催化剂，难以控制其在衬底表面分布的均匀性，同时，生长完的纳米线又会混入金属杂质，难以有效清除干净，进而影响器件性能；而采用自催化生长方法，镓液滴一般在衬底上无序地排列，采种退火的方法亦无法解决排布不均匀的问题，因此，制作成的纳米线阵列亦排布不均匀，难以适用于大规模的量产需要。
鉴于现有技术中存在氮化物纳米线外延生长的问题。因此有必要提出一种新的一种氮化物纳米线的制作方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前氮化物纳米线阵列生长过程容易引用杂质和排布不均匀的问题，提出一种氮化物纳米线的制作方法，采用金属镓纳米点的模板，自催化生长无金属催化剂的排列均匀的氮化物纳米线，该方法包括以下步骤：（1）在衬底上外延生长氮化镓缓冲层；（2）将缓冲层蚀刻成均匀分布的纳米尺度的柱状缓冲层；（3）在柱状缓冲层及间隙沉积氮化硅掩膜层；（4）将激光束聚焦在柱状缓冲层，使氮化镓分解成金属镓纳米点，生成的氮气将柱状缓冲层上方的掩膜层冲破，形成镓纳米点的自催化的催化剂模板；（5）使用金属镓纳米点作为自催化生长的催化剂，外延生长均匀排列的氮化镓纳米柱阵列；（6）采用高温氮化方法，使纳米柱阵列顶端的金属镓纳米点反应生成氮化镓。
进一步地，所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅、玻璃等，优选蓝宝石衬底。
进一步地，所述步骤（1）采用金属有机化学气相沉积或磁控溅射等设备和方法外延生长氮化镓缓冲层，生长温度为200~800度，生长厚度10~500nm。
进一步地，所述步骤（2）纳米尺度的柱状缓冲层采用纳米压印技术或纳米尺寸的光罩技术来制作光阻层，然后，采用ICP等干法蚀刻成纳米尺度的柱状缓冲层。
进一步地，所述柱状缓冲层的宽度为10~900nm，高度为10~900nm，间隙为10~900nm。
进一步地，所述步骤（3）氮化硅掩膜层的厚度为10~500nm，生长方法为磁控溅射或蒸镀等气相沉积方法。
进一步地，所述步骤（4）激光波长为100~350nm，激光聚焦在氮化镓柱状缓冲层，使其分解为金属镓和氮气，氮气冲出氮化硅掩膜层形成金属镓纳米点催化剂模板。
进一步地，所述步骤（5）氮化镓自催化生长的方法为金属有机化学气相沉积或分子束沉积等化学气相生长方法，III族源采用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟，掺杂剂采用硅烷和二茂镁，V族源采用氨气，载气采用氮气或氢气，生长温度为800~1200度。
进一步地，所述步骤（6）金属镓纳米点的氮化处理在温度为1000~1200度，通入氨气与金属镓反应，载气选择氮气或氢气。
本发明通过制备金属镓纳米点的模板，生长均匀排布的氮化物纳米线，有效解决自组织生长纳米线排布不均匀的问题，且适合制备大面积的芯片，有利于大规模的量产。另外，由于金属镓纳米点为氮化镓的原料之一，直接氮化处理形成氮化镓，金属催化剂容易去除，避免杂质污染。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1~图6为本发明实施例制作氮化物纳米线的工艺步骤（1）至步骤（6）的示意图。
附图标注：100：衬底；101a：氮化镓缓冲层；101b：氮化镓柱状缓冲层；102：氮化硅；103：金属镓纳米点；104：n型氮化镓；105：多量子阱层；106：p型氮化镓。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要知晓的是，本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1~图6所示，本实施例一种氮化物纳米线的制作方法，包括以下工艺步骤：
第一步，将蓝宝石衬底100置于金属有机化学气相沉积反应腔中，将温度升高至600度，通过三甲基镓和氨气，在衬底上外延生长一层厚度约50nm的氮化镓缓冲层101a温度降至室温，将生长完的晶片取出备用。
第二步，采用纳米压印技术，在氮化镓缓冲层上蒸镀一层光刻胶形成光阻层，曝光显影后，采用ICP蚀刻成均匀排布的柱状缓冲层101b，然后，去除光刻胶，柱状缓冲层的宽度和高度分别为200nm和50nm，间隙为200nm。
第三步，采用等离子体辐助化学气相沉积方法，在氮化镓柱状缓冲层上蒸镀一层厚度为50nm的氮化硅102作为掩膜层，由于氮化镓柱状缓冲层上方的氮化硅上无法生长氮化镓，从而可以有效地控制后续生长纳米线的间距和均匀性。
第四步，在无氧环境中，将激光波长为325nm的激光束聚焦在氮化镓柱状缓冲层，使氮化镓分解成金属镓纳米点103和氮气，生成的氮气将柱状缓冲层上方的掩膜层冲破形成开口，从而制作出金属镓纳米点103作为自催化剂的催化剂模板。
第五步，将上述金属镓纳米点的催化剂模板置于金属有机化学气相沉积腔中，使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟等作为III族源，采用硅烷和二茂镁作为n型和p型的掺杂剂，采用氨气作为V族源，氮气或氢气作为载气，控制生长温度在800~1200度，使用金属镓纳米点作为自催化生长的催化剂，外延生长均匀排列的氮化镓纳米柱阵列，并生长所需的外延结构，该外延结构从下至上依次包括n型氮化镓104、多量子阱层105以及p型氮化镓106。
第六步，氮化镓纳米柱阵列生长完后，顶端的金属镓纳米点103采用高温氮化方法，控制生长温度在1000~1200度，通入氨气，使镓原子和氮原子结合生长氮化镓，从而去除金属镓纳米点103，制得自催化生长无金属催化剂的排列均匀的氮化物纳米线。
本实施例通过制备金属镓纳米点的催化剂模板，采用模板化的生长方式，可以更有效地控制纳米线的均匀性和生长取向一致性，有效解决自组织生长纳米线排布不均匀的问题，且适合制备大面积的芯片，有利于大规模的量产。此外，由于金属镓纳米点为氮化镓的原料之一，直接氮化处理形成氮化镓，金属催化剂容易去除，避免杂质污染。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (10)

1.一种氮化物纳米线的制作方法，包括以下工艺步骤：
（1）在衬底上外延生长氮化镓缓冲层；
（2）将缓冲层蚀刻成具有间隙的均匀分布的纳米尺度的柱状缓冲层；
（3）在柱状缓冲层及间隙上沉积氮化硅掩膜层；
（4）将激光束聚焦在柱状缓冲层，使氮化镓分解成金属镓纳米点，生成的氮气将柱状缓冲层上方的掩膜层冲破，形成金属镓纳米点的自催化的催化剂模板；
（5）使用金属镓纳米点作为自催化生长的催化剂，外延生长均匀排列的氮化镓纳米柱阵列；
（6）采用高温氮化方法，使纳米柱阵列顶端的金属镓纳米点反应生成氮化镓。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅或玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）采用金属有机化学气相沉积或磁控溅射法外延生长氮化镓缓冲层。
4.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）纳米尺度的柱状缓冲层采用纳米压印技术或纳米尺寸的光罩技术来制作纳米尺寸的光阻层，然后蚀刻成纳米尺度的柱状缓冲层。
5.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述柱状缓冲层的宽度为10~900nm，高度为10~900nm。
6.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述柱状缓冲层的的间隙为10~900nm。
7.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）氮化硅掩膜层的厚度为10~500nm，生长方法为磁控溅射或蒸镀气相沉积方法。
8.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）激光波长为100~350nm，激光聚焦在氮化镓柱状缓冲层，使其分解为金属镓和氮气，氮气冲出氮化硅掩膜层形成金属镓纳米点催化剂模板。
9.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（5）氮化镓自催化生长的方法为金属有机化学气相沉积或分子束沉积化学气相生长方法。
10.根据权利要求1所述的一种氮化物纳米线的制作方法，其特征在于：所述步骤（6）金属镓纳米点的氮化处理在温度为1000~1200度，通入氨气与金属镓反应，载气选择氮气或氢气。
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