CN110067022B - 一种单晶GaN纳米线及其制备方法 - Google Patents

一种单晶GaN纳米线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单晶GaN纳米线及其制备方法，其包括GaN薄膜的MOCVD外延生长、紫外光刻、ICP刻蚀和电化学剥离过程，实现了将GaN薄膜转化成一维GaN纳米线，制备出了长度、厚度和宽度可控的单晶GaN纳米线。通过将外延GaN薄膜、物理化学刻蚀与电化学腐蚀技术结合起来，使得图形化的GaN脱离了原始衬底，获得了一维GaN纳米线，释放其生长时产生的固有内在应力。这种方法成本较低，且操作简单，重复性高，在一维GaN纳米线光电器件研制方面有着广泛的应用前景。

Description

一种单晶GaN纳米线及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米线制备技术领域，特涉及一种单晶GaN纳米线及其制备方法。
背景技术
半导体材料是用来制作半导体器件和集成电路的重要电子材料，又由于半导体纳米线同时具备半导体的独特性质和一维纳米线的系列优点，在未来微电子集成电路中有着巨大的前景。
GaN材料作为第三代半导体材料的代表，禁带宽度为3.4eV，由于其物理、化学性质稳定，载流子迁移率高等优点，在各类半导体光电器件中应用广泛，例如：GaN基LED、GaN基紫外探测器、GaN基高电子迁移率晶体管等器件，成为国内外研究者所关注的热门话题，并且随着现代科技的发展，一维GaN纳米线由于其不同于宏观尺度的新颖特性，在半导体光电器件中独树一帜。
在之前图形化Si衬底上生长一维GaN纳米线时，长出的GaN纳米线为梯形，不仅在剥离GaN时容易造成纳米线容易含有溶液杂质，又由于其与衬底接触时由于纳米线有一定的高度，在使用热蒸镀和磁控溅射法制备电极时，容易造成断路，这限制了制备出的纳米线的进一步使用和研究。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的首要目的在于提供一种可控性更高的单晶GaN纳米线及其制备方法，基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
单晶GaN纳米线的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1、在衬底表面依次外延生长下层未掺杂GaN层、重掺杂GaN层以及单晶GaN层，以获得GaN外延衬底；
步骤S2、在所述单晶GaN层的表面设置光刻胶层；
步骤S3、图案化所述光刻胶层，以将所述光刻胶层设置为条状图案；
步骤S4、以所述条状图案为掩膜进行刻蚀，刻蚀至所述重掺杂GaN层露出；
步骤S5、采用电化学腐蚀所述GaN外延衬底，以使所述单晶GaN层脱离原始衬底。
进一步的，所述步骤S4中，采用ICP刻蚀至所述重掺杂GaN层露出，所述ICP刻蚀的时间为15-20min。
进一步的，所述步骤S5中，采用电化学腐蚀对所述重掺杂层进行选择性腐蚀，以使所述单晶GaN薄膜层从所述重掺杂GaN层脱离。
进一步的，所述单晶GaN层的厚度为200-500nm。
进一步的，所述步骤S4与步骤S5之间还包括将所述衬底分割为大小均一的方块。
进一步的，还包括，在进行电化学腐蚀之前，在露出的所述重掺杂GaN层上设置电极层。
进一步的，所述步骤S5中，还包括，采用等离子体清洗机处理过的PET衬底收集已脱离原始衬底的单晶GaN纳米线。
进一步的，将剥离的所述单晶GaN层浸泡在丙酮中，以溶解去除残留的光刻胶层。
进一步的，所述PET衬底利用等离子体清洗机处理5-10min。
单晶GaN纳米线，所述单晶GaN纳米线的长度为约0.3mm至约0.7mm，宽度为约3μm至约10μm，厚度为约200nm至约500nm。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明通过将外延生长技术、光刻技术、ICP刻蚀技术、电化学腐蚀技术结合在一起，将已经外延好的GaN薄膜先刻蚀为纳米线阵列，然后通过较低成本的电化学腐蚀技术将前期制备的单晶GaN纳米线阵列从衬底上剥离下来，获得了长度、厚度以及宽度可控的单晶GaN纳米线。且这种整合技术设计的GaN纳米线可控性更高，纳米线的厚度更薄，从而保证纳米线与衬底的贴合度更高，且纳米线清洁度越高，不受溶液杂质的影响。
附图说明
图1是本发明实施实例中外延生长后包含单晶GaN层的外延层结构示意图。
图2是本发明的制备方法流程示意图。
图3是本发明实施例中的经过光刻技术所形成的带有光刻胶的条纹照片。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例
下面将结合图1-3对本发明的单晶GaN纳米线的制备方法作以介绍。
在该实施例中，衬底采用(0001)方向的蓝宝石衬底。
将蓝宝石衬底1载入金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)反应室，如图 1的外延结构所示，在蓝宝石衬底1的表面依次生长下层未掺杂GaN层2、重掺杂GaN层3以及单晶GaN层4，其中，下层未掺杂GaN层2的厚度为1μm至 1.5μm，重掺杂GaN层3的厚度为约2μm至约2.5μm，单晶GaN层4的厚度为约200nm至500nm，单晶GaN层4是未掺杂的GaN，在该实施例中，该重掺杂GaN层3的掺杂元素为Si，掺杂浓度为8.0×1018cm-3至1.3×1019cm-3，以提高重掺杂GaN层的电导率。
如图2所示，在外延生长好的衬底表面配置一层光刻胶层5，之后，利用带有条纹状的掩膜版，曝光后显影并烘干，形成带有条状光刻胶层的外延衬底。可采用3μm×3μm、5μm×5μm或10μm×10μm的带有条纹状的光刻板。具体的，在该实施例中，在外延生长好的衬底表面旋涂厚度约为3μm的光刻胶层，优选 10μm×10μm的条形掩膜版，在9mW-12mW的紫外灯下曝光17s至19s，并在显影液中轻微振荡60s至90s，然后在热台上，100℃-120℃下热烘4min-5min，制备出带有条状光刻胶层5的外延衬底。
将带有条状光刻胶层5的外延衬底放置在ICP刻蚀机的腔体中刻蚀，直至重掺杂GaN层3露出，刻蚀时间为15-20min，优选的，刻蚀时间为15min。以保证光刻胶不完全被刻蚀，同时也保证重掺杂GaN层3被完全暴露出来。遗留的光刻胶层在后续的电化学腐蚀步骤中可充当纳米线的机械支撑层，以保证单晶GaN纳米线的完整性。
将已经经过ICP刻蚀的GaN外延衬底分割为大小均一的方块，方块大小为 10mm×10mm或者15mm×15mm。在该实施例中，采用用金刚刀将经过ICP刻蚀的GaN外延衬底切割成大小为10mm×10mm的小块。在露出的重掺杂GaN 层上设置电极层，具体的，可将银浆涂覆在已经暴露出来的重掺杂GaN条纹上，待其凝固即可形成电极。在另一实施例中，先采用丙酮清洗掉部分光刻胶，露出重掺杂GaN层，然后将银浆涂覆于露出的重掺杂GaN层以及重掺杂GaN条纹上，以增加接触面积。
配置浓度为0.3mol/L的草酸溶液。将形成电极的衬底放置在电化学腐蚀装置的正极，与Pt片阴极、0.3mol/L的草酸溶液以及30V直流电源形成闭合回路，并施加8-12V的恒定电压进行电化学腐蚀，腐蚀时间为10-30min，同时，在电解池GaN外延衬底的下端放置等离子体清洗机清洗过的PET衬底，以收集电化学腐蚀的过程中，从原始衬底脱离的单晶GaN纳米线。优选的，腐蚀电压为8V，腐蚀时间为15min左右。其中，PET衬底利用等离子体清洗机处理5min-10min，以增强PET衬底的亲水性。
收集完成后，在取出的PET衬底上随机散落着很多带有光刻胶的GaN纳米线，在取出PET衬底后，将其放置在显微镜下，采用清水对吸附有草酸的PET 衬底进行稀释，稀释次数为3-10次，在不形成结晶的情况下即视为单晶GaN纳米线上的草酸溶液清洗干净，即保证了单晶GaN纳米线的干净程度。
最后，再用丙酮对带有光刻胶的GaN纳米线进行稀释，稀释多次，以溶解剩余的光刻胶并待其溶液蒸发后，即可形成无支撑的单晶GaN纳米线。
采用本发明的制备方法获得的单晶GaN纳米线，其长度约为0.3mm至约 0.7mm，宽度为约3μm至约10μm，厚度为约200nm至约500nm。本发明的制备方法将MOCVD外延生长、紫外光刻、ICP刻蚀以及电化学剥离技术结合起来，使得图形化的GaN脱离生长衬底，实现了将GaN薄膜转化成一维GaN纳米线，制备出了长度、厚度以及宽度可控的纳米线。使用该方法获得GaN纳米线的可控性更高，纳米线的厚度更薄，从而保证和衬底的贴合度更高，且纳米线清洁度越高，不受溶液杂质的影响。该方法成本较低，且操作简单，重复性高，在一维GaN纳米线光电器件研制方面有着广泛的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单晶GaN纳米线的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1、在蓝宝石衬底表面依次外延生长下层未掺杂GaN层、重掺杂GaN层以及单晶GaN层，以获得GaN外延衬底；
步骤S2、在所述单晶GaN层的表面设置光刻胶层；
步骤S3、图案化所述光刻胶层，以将所述光刻胶层设置为条状图案；
步骤S4、以所述条状图案为掩膜进行刻蚀，刻蚀至所述重掺杂GaN层露出；
步骤S5、在露出的重掺杂GaN层上设置电极层，取浓度为0.3mol/L的草酸溶液，采用电化学腐蚀所述重掺杂GaN层进行选择性腐蚀，以使所述单晶GaN层从所述重掺杂GaN层上脱离。
2.根据权利要求1的所述制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用ICP刻蚀至所述重掺杂GaN层露出，所述ICP刻蚀的时间为15-20min。
3.根据权利要求1的所述制备方法，其特征在于，所述单晶GaN层的厚度为200-500nm。
4.根据权利要求1的所述制备方法，其特征在于，所述步骤S4与步骤S5之间还包括将所述衬底分割为大小均一的方块。
5.根据权利要求1的所述制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，还包括，采用等离子体清洗机处理过的PET衬底收集已脱离原始衬底的单晶GaN纳米线。
6.根据权利要求1或5的所述制备方法，其特征在于，将脱离的所述单晶GaN层浸泡在丙酮中，以溶解去除残留的光刻胶层。
7.根据权利要求5的所述制备方法，所述PET衬底利用等离子体清洗机处理5-10min。
8.一种单晶GaN纳米线，其特征在于，所述单晶GaN纳米线采用权利要求1-7之一的所述制备方法获得，所述单晶GaN纳米线的长度为0.3mm至0.7mm，宽度为3μm至10μm，厚度为200nm至500nm。
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