一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法，通过外延方法在衬底上外延生长GaN结构薄膜；在上述薄膜上生长掩膜层，并将掩膜层制备成相应的图案；在GaN结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构；刻蚀所述的侧壁陡峭的纳米结构，形成侧壁光滑排列规则的纳米线阵列；在所得的GaN纳米线阵列上进行二次生长，获得核壳纳米线阵列。通过本发明专利技术的方法获得了侧壁光滑、长径比可控的核壳GaN纳米线阵列。本发明专利技术的方法简单易行，适合规模化制备。制备所得核壳纳米线阵列可广泛应用于光电子器件和微电子器件。

A preparation method of core-shell GaN nanowire arrays

The present invention provides a method for preparing core-shell GaN nanowire arrays, by which GaN structural films are epitaxially grown on substrates, a mask layer is grown on the above-mentioned films and the mask layer is prepared into corresponding patterns, a nanostructure with steep side walls is formed in the GaN structural films, and a nano-structure with steep side walls is etched. The GaN nanowire arrays were fabricated by secondary growth on the obtained GaN nanowire arrays, and the core-shell nanowire arrays were obtained. The core shell GaN nanowire arrays with smooth sidewall and controllable length to diameter ratio are obtained through the method of the invention. The method of the invention is simple and suitable for large-scale preparation. The core shell nanowire arrays can be widely used in optoelectronic devices and microelectronic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法
本专利技术属于电学领域，涉及一种纳米线阵列，具体来说是一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法。
技术介绍
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。GaN纳米线具有优异的光电、压电、敏感和热稳定性能，在光电子器件及微纳电子器件中具有很好的应用前景。近年来，GaN纳米线的研究工作取得了很大进展，广泛应用于集成电路、晶体管、激光器、发光二极管、单光子器件、光解水以及太阳能电池等领域。然而缺乏长径比、位置可控的高质量核壳纳米线阵列合成方法，严重限制了GaN纳米线器件的实用化和产业化。核壳GaN纳米线的制作方法分两类：“自下而上”的自组装生长方法和“自上而下”的刻蚀方法。“自下而上”的自组装生长方法主要有学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及选择区域沉积等方法。但这些方法难以制备高质量、有序排列、含有不同组分的核壳GaN纳米线阵列。刻蚀法多使用感应耦合等离子体刻蚀或各向异性湿法刻蚀方法。通过控制掩膜及刻蚀工艺，设计可控合成大规模核壳GaN纳米线垂直阵列的方法。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法，所述的这种核壳GaN纳米线阵列的制备方法要解决现有技术中的方法难以制备高质量、有序排列、含有不同组分的核壳GaN纳米线阵列的技术问题。本专利技术提供了一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法，包括如下步骤：1)通过外延方法在衬底上外延生长GaN结构薄膜；2)在上述薄膜上生长掩膜层，并将掩膜层制备成相应的图案；3)在GaN结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构；4)刻蚀所述的侧壁陡峭的纳米结构，形成侧壁光滑排列规则的纳米线阵列；5)在步骤4）所得的GaN纳米线阵列上进行二次生长，获得核壳纳米线阵列。进一步的，所述掩膜层为SiO2、SiNx、ZnO、或Al2O3。进一步的，通过紫外光刻、电子束光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀将掩膜层制备成相应的图案。进一步的，所述图案的尺寸为10nm-10μm。进一步的，在步骤3）中，采用干法刻蚀在GaN基结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构。进一步的，所述干法刻蚀为离子束刻蚀、感应耦合等离子刻蚀、或反应离子刻蚀。进一步的，在步骤3）中，侧壁陡峭的纳米结构的陡峭程度根据侧面角度值判断。进一步的，侧面角度值范围为45°-90°。进一步的，在步骤4）中，采用碱性溶液腐蚀上述纳米结构。进一步的，在步骤5）中，采用气相化学沉积、金属有机物气相化学沉积、分子束外延沉积、氢化物气相外延沉积或物理溅射沉积的方法，在步骤4）所得的GaN纳米线阵列上进行二次生长。进一步的，在步骤5）中，所述二次生长采用的材料为AlN、AlGaN、InGaN、InN、ZnO、或SiO2。本专利技术采用非金属掩膜层，通过光刻和刻蚀工艺制作掩膜，实现纳米线的规则排列及其位置的精确控制；然后，采用刻蚀法形成GaN纳米线阵列，最后经过进一步二次生长，制得侧壁光滑、长径比可控的核壳GaN纳米线阵列。本制备方法可以通过控制GaN纳米线直径、长度、位置以及排列方式，控制核壳纳米线的直径、长度、位置以及排列方式。本专利技术和已有技术相比，其技术进步是显著的。本专利技术的制备方法成本低廉，工艺简单适用于大规模工业生产应用。制备所得GaN纳米线规则规则排列，侧壁光滑，长径比可控，生长位置可控，适合制作GaN纳米器件。制备过程无其他金属杂质引入，获得高质量、长径比可控以及生长位置可控的核壳GaN纳米线阵列。本专利技术提供的方法简单易行，适合用于大批量生成及科学实验，制备所得核壳纳米线阵列可广泛应用于光电子器件和微电子器件。附图说明图1为在衬底上外延生长的GaN基薄膜结构示意图。图2为在外延GaN基薄膜上制备掩膜。图3为侧壁陡峭的GaN纳米结构示意图。图4为侧壁光滑排列规则的GaN纳米线阵列结构示意图。图5为核壳GaN纳米线阵列结构示意图。其中：1为衬底材料；2为GaN；3为SiO2掩膜层；4为二次生长的其他材料。具体实施方式实施例1制作纳米线的直径小于200nm，高度为4μm的带有量子阱结构的核壳GaN纳米线阵列图1~4为核壳GaN纳米线阵列的制备流程图，本专利技术的一种核壳GaN纳米线阵列制备方法包括以下步骤：1)如图1所示，采用金属有机气相化学沉积(MOCVD)法在Si衬底1上依次外延缓冲层、n-GaN2，总厚度约为6μm；2)采用CVD法在外延层上生长1μm厚SiO2掩膜层3，通过光刻、ICP刻蚀工艺制备直径为5μm的圆形掩膜图案；3)使用缓冲氧化物刻蚀液BOE腐蚀SiO2掩膜层3，在温度为22℃条件下腐蚀5min50s制备大小约为500nm的掩膜；4)采用ICP干法刻蚀工艺刻蚀GaN基外延层，ICP功率1000W，RF功率100W，，气体使用Cl230sccmBCl310sccm，刻蚀温度120℃，刻蚀6min，形成侧壁较陡直的GaN基纳米结构（如图2所示）；5)采用2%KOH溶液腐蚀步骤4）所得GaN基纳米结构，温度65℃，腐蚀2h，形成侧壁光滑排列规则的GaN纳米线阵列结构2（如图3所示）。6)采用MOCVD以步骤5）制备的纳米线阵列为衬底外延生长GaN/InGaN量子阱层及p-GaN4，制备核壳GaN纳米线阵列（如图4所示）。以上所述是本专利技术应用的技术原理和具体实例依据本专利技术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，均应在本专利技术的范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）通过外延方法在衬底上外延生长GaN结构薄膜；2）在上述薄膜上生长掩膜层，并将掩膜层制备成相应的图案；3）在GaN结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构；4）刻蚀所述的侧壁陡峭的纳米结构，形成侧壁光滑排列规则的纳米线阵列；5）在步骤4）所得的GaN纳米线阵列上进行二次生长，获得核壳纳米线阵列。

【技术特征摘要】
1.一种核壳GaN纳米线阵列的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）通过外延方法在衬底上外延生长GaN结构薄膜；2）在上述薄膜上生长掩膜层，并将掩膜层制备成相应的图案；3）在GaN结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构；4）刻蚀所述的侧壁陡峭的纳米结构，形成侧壁光滑排列规则的纳米线阵列；5）在步骤4）所得的GaN纳米线阵列上进行二次生长，获得核壳纳米线阵列。2.根据权利要求1所述的一种核壳GaN米线阵列的制备方法，其特征在于：所述掩膜层为SiO2、SiNx、ZnO、或Al2O3。3.根据权利要求1所述的一种核壳GaN米线阵列的制备方法，其特征在于：通过紫外光刻、电子束光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀将掩膜层制备成相应的图案。4.根据权利要求1所述的一种核壳GaN米线阵列的制备方法，其特征在于：所述图案的尺寸为10nm-10μm。5.根据权利要求1所述的一种核壳GaN米线阵列的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，采用干法刻蚀在GaN基结构薄膜中形成侧壁陡峭的纳米结构。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：康云龙，王现英，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31