一種基於GaN水平納米線交叉結的多端電子器件製備方法與流程

2023-05-21 06:21:31 3

本發明涉及微電子領域，尤其是一種基於gan水平納米線交叉結的多端電子器件製備方法。

背景技術：

由於傳統光電子器件都是建立在平面薄膜工藝上，其進一步發展受到了很大的制約。這最大的問題在於，薄膜上外延生長時與襯底的晶格失配及熱失配將會給生長的材料帶來大量的位錯與缺陷。跟傳統的平面結構相比，納米線由於維度的降低，表現出很多優異的性能。由於其小尺寸效應，納米柱或納米線結構能較好得使應力弛豫來適應晶格失配問題；且比表面積較平面結構大，位錯比較容易向納米柱側壁彎曲而得以終止；因此可以得到無位錯晶體。位錯密度的減小，最終可以提高器件的性能。另一方面，由於維度的顯著減少，iii-氮化物納米線也為未來器件及系統的尺寸縮小提供了可行的方法。一維體系的納米材料是可以有效傳輸電子和光學激子的最小維度結構，也是納米機械器件和納米電子器件的最基本結構單元。gan材料作為重要的半導體材料，其優良特性使得gan納米線在微納光電器件、光電探測器件、電子器件、環境和醫學等領域具有更廣泛的潛在應用前景，現如今人們通過利用mocvd、mbe等昂貴生長設備已經能夠成功製備出高質量的gan納米線，並且能夠應用於光電探測器和場效應電晶體等光電子器件。

通過縮小電子器件的尺寸來提高晶片的工作速度和集成度、減小晶片功耗密度一直是微電子工業發展所追求的目標。在過去幾十年裡，微電子工業發展一直遵循摩爾定律。目前微電子工業領域工藝水平越來越來高，電子產品的集成度要求也越來越高。

一維的納米結構具有比表面積大、單晶結構的特點，因此一維納米結構成為構造新型納米光電器件的構築單元。高晶體質量的一維gan納米線具有高載流子遷移率、高熱和化學穩定性。相對於薄膜結構，一維納米結構具有更少的缺陷，材料質量更好。

到目前為止，大量不同形貌和有趣結構的gan納米或微米材料已成功地合成，如納米線、納米帶、納米管等。gan材料是一種寬禁帶直接帶隙化合物半導體材料，禁帶寬度為3.4ev，其優良特性使得gan納米線能夠應用於微納光電器件、光電探測器件、電子器件、環境和醫學等領域。而且它在器件尺寸的不斷縮小，低能耗方面有顯著優勢。

目前半導體納米線交叉結的獲得都是通過控制材料的生長方向，一方面在三維空間中存在極小的概率使得部分納米線能夠相互接觸，從而獲得不同結構的交叉結，另一方面在三維立體空間獲得的納米線交叉結需要經過一定的切割轉移到襯底上才能實現應用。

由於在三維立體空間通過隨機接觸獲得的半導體納米線交叉結的尺寸都很小，一般的納米線長度都在幾微米左右，而且在切割轉移過程中還會對其進一步損害，這就限制了其以後的應用，所以現在都是利用昂貴的電子束曝光或聚焦離子束工藝在納米線交叉結埠製作電極從而實現器件製作以及應用。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提供一種基於與襯底緊密結合的gan水平納米線交叉結的多端電子器件製備方法。

本發明所採用的技術方案是：一種基於gan水平納米線交叉結的多端電子器件製備方法，包括有以下步驟：

將襯底進行有機清洗和無機清洗；

使用真空鍍膜機在襯底表面蒸鍍金屬薄膜；

在hvpe設備中翻轉襯底，使襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面向下並且與下方石墨盤之間設置有一定間隙，通過vls方法在襯底上生長納米線交叉結；

將生長有納米線交叉結的襯底經過王水處理；

在經過王水處理的襯底上光刻電極圖案；

使用真空鍍膜機在光刻有電極圖案襯底上蒸鍍金屬；

對襯底進行退火處理形成歐姆接觸。

進一步，所述襯底為藍寶石襯底。

進一步，將襯底進行有機清洗和無機清洗的步驟具體為：將襯底放進4:1的硫酸、雙氧水中浸泡4min，取出後用去離子水衝洗兩遍；將襯底放入丙酮溶液中80℃超聲清洗10min，接下來再放入乙醇溶液中80℃超聲清洗10min，取出後用去離子水衝洗兩遍。

進一步，使用真空鍍膜機在襯底表面蒸鍍的金屬薄膜為2nm/2nm的ni/au。

進一步，通過vls方法在襯底上生長納米線交叉結時，襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面與石墨盤之間設置有1mm間隙。

進一步，通過vls方法在襯底上生長納米線交叉結的生長條件：溫度為980℃，gacl流量為10sccm，nh3流量為10sccm，時間為4min。

進一步，將生長有納米線交叉結的襯底經過王水處理的步驟具體為：襯底放入王水中浸泡30s。

進一步，在經過王水處理的襯底上光刻電極圖案的具體步驟為：通過勻膠、曝光、顯影工序在生長有納米線交叉結的襯底上光刻電極圖案。

進一步，使用真空鍍膜機在光刻有電極圖案襯底上蒸鍍的金屬為50nm/300nm的ti/au。

進一步，對襯底進行退火處理形成歐姆接觸的條件：溫度為250℃，時間為15min。

本發明的有益效果是：本發明通過在蒸鍍有金屬薄膜的一面與石墨盤之間設置一定間隙，保證氣流通常，同時能控制水平納米線交叉結在二維平面的生長，生成的水平gan納米線交叉結與襯底緊密相連，無需進行轉移，增強器件性能穩定性，並且納米線尺寸在幾十微米以上，在後續的器件製作過程中無需使用昂貴的電子束光刻方法，只需要使用普通光刻就可以實現電極製作和器件應用，製備成本低。

附圖說明

圖1為本發明方法的步驟流程圖；

圖2為常規方法生長納米線時石墨盤和襯底相對位置示意圖；

圖3為常規方法生長的納米線示意圖；

圖4為本發明方法生長納米線時石墨盤和襯底相對位置示意圖；

圖5為本發明方法第一具體實施例生長的納米線示意圖；

圖6為本發明方法第二具體實施例生長的納米線示意圖；

圖7為本發明方法第一具體實施例製備的器件結構示意圖；

圖8為本發明方法第二具體實施例製備的器件結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：

參照圖1，一種基於gan水平納米線交叉結的多端電子器件製備方法，包括有以下步驟：

將襯底進行有機清洗和無機清洗；

使用真空鍍膜機在襯底表面蒸鍍金屬薄膜；

在hvpe(hydridevaporphaseepitaxy)設備中翻轉襯底，使襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面向下並且與下方石墨盤之間設置有一定間隙，通過vls(vaporliquidsolid)方法在襯底上生長納米線交叉結；

常規方法如圖2所示，當襯底放置於石墨盤上時，襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面向上，如圖中陰影部分所示，而在生長的納米線如圖3所示，不僅難以獲得需要的納米線交叉結，而且需要對生成的納米線交叉結進行轉移，轉移還需要花費大量精力和財力，在轉移過程中很容易損壞。

本發明方法中，在hvpe設備中翻轉襯底，如圖4所示，襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面向下，如圖中陰影部分所示；金屬薄膜與石墨盤之間的間隙能使氣源流暢通過，同時使納米線與襯底緊密結合，配合對納米線在二維平面上生長方向的控制，能夠大規模的獲得所需要的納米線交叉結，例如通過減少gacl氣體流量來改變生長環境中的v/iii比，故而催化劑組成能夠影響液態金屬催化劑液滴的界面能，從而達到控制納米線的生長方向。與常規製備方法相比，本發明方法還節省了轉移步驟，同時，在二維空間生長的納米線結的尺寸都在幾十微米以上，故而在後續的器件製作過程中無需使用昂貴的電子束光刻方法，只需要使用普通光刻就可以實現電極製作和器件應用。

將生長有納米線交叉結的襯底經過王水處理；

在經過王水處理的襯底上光刻電極圖案；

使用真空鍍膜機在光刻有電極圖案襯底上蒸鍍金屬；

對襯底進行退火處理形成歐姆接觸。

進一步作為優選的實施方式，所述襯底為藍寶石襯底。

進一步作為優選的實施方式，將襯底進行有機清洗和無機清洗的步驟具體為：將襯底放進4:1的硫酸、雙氧水中浸泡4min，取出後用去離子水衝洗兩遍；將襯底放入丙酮溶液中80℃超聲清洗10min，接下來再放入乙醇溶液中80℃超聲清洗10min，取出後用去離子水衝洗兩遍。

進一步作為優選的實施方式，使用真空鍍膜機在襯底表面蒸鍍的金屬薄膜為2nm/2nm的ni/au。

進一步作為優選的實施方式，通過vls方法在襯底上生長納米線交叉結時，襯底上蒸鍍有金屬薄膜的一面與石墨盤之間設置有1mm間隙；將間隙設置為1mm能夠在是氣源流暢通過的情況下，將生長的納米線控制在二維平面空間中，使之被的納米線交叉結與襯底緊密結合。

進一步作為優選的實施方式，通過vls方法在襯底上生長納米線交叉結的生長條件：溫度為980℃，gacl流量為10sccm，nh3流量為10sccm，時間為4min。

進一步作為優選的實施方式，將生長有納米線交叉結的襯底經過王水處理的步驟具體為：襯底放入王水中浸泡30s。

進一步作為優選的實施方式，在經過王水處理的襯底上光刻電極圖案的具體步驟為：通過勻膠、曝光、顯影工序在生長有納米線交叉結的襯底上光刻電極圖案。

進一步作為優選的實施方式，使用真空鍍膜機在光刻有電極圖案襯底上蒸鍍的金屬為50nm/300nm的ti/au。

進一步作為優選的實施方式，對襯底進行退火處理形成歐姆接觸的條件：溫度為250℃，時間為15min。

作為本發明第一具體實施例，如圖5所示，利用hvpe設備在蒸鍍有金屬薄膜的藍寶石襯底上生長水平納米線x型結，通過普通光刻製作電極l、u、r、d後的多端電子器件結構如圖6所示。

作為本發明第二具體實施例，如圖7所示，利用hvpe設備在蒸鍍有金屬薄膜的藍寶石襯底上生長水平納米線t型結，通過普通光刻製作電極後的多端電子器件結構如圖8所示。

以圖8所示的t型納米線結多端電子器件為例，可將其應用於混頻，例如在電極l和r兩端分別輸入不同的正弦信號：

其中al＝ar＝100mv、fl＝1mhz、fr＝9mhz。

可在t端測試信號最強的三個峰值分別在1、9、10mhz處，次強峰值都出現在與fl和fr的相關頻率。

除以上實施例外，本發明利用普通光刻方法製作電極形成的多端電子器件能夠廣泛應用於信號的混頻、倍頻、相位差檢測等

以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可以作出種種的等同變換或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。