一种基于桥接生长的纳米线器件及其制备方法与流程

本发明涉及纳米线器件领域，特别涉及一种基于桥接生长的纳米线器件及其制备方法。

背景技术：

纳米技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是微纳电子器件和光子器件的基本结构。

尽管纳米线具有重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化还需要解决一系列问题，其中的关键问题是如何对极其纤细的纳米线进行操控、组装和加工。目前，纳米线器件的制备，如nanotechnology，24(2013)245306论文中公开的，通常包括以下复杂的步骤：1.在衬底上生长纳米线；2.将纳米线从衬底上剥离下来，转移至另一衬底表面，并实现平行有序排列；3.在纳米线的两端镀上金属电极。

然而，上述制备方法存在以下缺点：工艺步骤复杂；纳米线的剥离与排列等步骤，需要采用各种化学试剂，会污染(或损伤)纳米线表面；而且由于金属电极与纳米线之间属于物理接触，纳米线与电极的接触面积很小，因此使得金属电极与纳米线之间电接触特性很差、附着不牢固。

为此，人们提出纳米线的桥接生长工艺，例如：zl201110144804.5；nanotechnology，15(2004)l5-l8中公开了一种纳米线的桥接生长工艺：在纳米线的生长过程(上述步骤1)中，同时实现纳米线的排列、以及纳米线与电极之间的互联，从而简化器件的制备。但是这些方法存在以下缺点：1.需要在衬底上制备半导体台阶(或凹槽)，该台阶(或凹槽)与衬底之间必须电隔离(即采用电绝缘层)；2.这种三层结构(台阶、电绝缘层、以及衬底)的制备，需要采用晶片键合或离子注入等工艺在衬底内部形成电隔离层，制备工艺复杂。

为了进一步简化制备工艺，申请人在中国专利申请201610213762.9中公开了一种基于桥接生长的纳米线器件及其制备方法，其是在具有凹槽结构的绝缘衬底上镀导电层，将三层结构简化为两层结构(即导电层与绝缘衬底)，以降低制备难度。

但是，上述两种纳米线的桥接生长方案，都存在一个问题：在纳米线生长时，凹槽底部也会沉积上物质，从而使凹槽两侧的电绝缘特性被破坏(相当于在桥接纳米线的两端之间产生了旁路电流)。

综上所述，如何解决凹槽底部的沉积物问题，制备出高性能、低成本的纳米线器件，是本领域的技术人员亟需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低廉的桥接纳米线器件及其制备方法。

本发明提供了一种基于桥接生长的纳米线器件，其技术方案为：

一种基于桥接生长的纳米线器件，包括设置有凹槽结构的衬底、导电层和纳米线，其特征在于：所述导电层设置在所述凹槽结构的两侧，一侧壁上的导电层作为纳米线器件的源电极，另一侧壁上的导电层作为纳米线器件的漏电极，所述源电极与所述漏电极通过所述纳米线连接；所述凹槽结构的底部设置有牺牲层或牺牲条，或，所述凹槽结构的背部设置有贯穿衬底和沉积物的凹槽，使得凹槽两侧的沉积物相互隔绝。

本发明提供的一种基于桥接生长的纳米线器件还可具有如下附属技术方案：

其中，所述牺牲层选择能够被腐蚀且耐高温的材质。

其中，所述牺牲层为氧化硅层。

其中，所述牺牲条为耐高温的材料。

其中，所述牺牲条为石英纤维。

其中，所述纳米线的一端或两端与导电层结构连接处设置有催化剂颗粒，所述催化剂颗粒是金、镍、铁、金镍合金、镓、铟、或者氮化镓中的一种或几种。

本发明还提供了一种基于桥接生长的纳米线器件的制备方法，其技术方案为：

一种基于桥接生长的纳米线器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1、在衬底的表面沉积导电层；

s2、通过化学刻蚀、激光烧蚀或机械切削的方法在具有导电层的绝缘衬底上制备穿透导电层的凹槽结构，以在凹槽结构的两侧形成相互绝缘的源电极和漏电极；

s3、在凹槽结构的底部设置牺牲层或牺牲条；

s4、在所述源电极和/或所述漏电极上附着催化剂颗粒，所述催化剂颗粒用于引导所述纳米线的生长；

s5、在导电层侧壁上生长纳米线，所述纳米线与所述源极和所述漏极连接；

s6、去除设置在凹槽结构底部的牺牲层或牺牲条、以及沉积在牺牲层顶部或附着在牺牲条顶部的沉积物，使得凹槽两侧的沉积物隔绝开，以使所述凹槽结构两侧的电互联仅取决于桥接纳米线。

本发明提供的一种基于桥接生长的纳米线器件的制备方法还可具有如下附属技术方案：

其中，在s3中，若在凹槽结构的底部设置的是牺牲层，则需要在进行s4之前，将沉积在凹槽底部之外的牺牲层通过光刻或腐蚀的方式去除。

其中，在s3中，若在凹槽结构的底部设置的是牺牲层，则在s6中，通过选择性化学腐蚀的方式去除凹槽结构底部的牺牲层，通过超声震动的方式去除凹槽结构顶部悬浮的沉积物；在s3中，若在凹槽结构的底部设置的是牺牲条，则在s5中，通过化学腐蚀或通过施加外力的方式直接抽取凹槽结构底部的牺牲条和附着在牺牲层顶部的沉积物。

本发明还提供了另一种基于桥接生长的纳米线器件的制备方法，其技术方案为：

s1、在衬底的表面沉积导电层或衬底自身具有导电性；

s2、通过化学刻蚀、激光烧蚀或机械切削的方法在衬底上制备凹槽结构，以凹槽结构两侧的导电层作为源电极和漏电极；

s3、在所述源电极和/或所述漏电极上附着催化剂颗粒，所述催化剂颗粒用于引导所述纳米线的生长；

s4、在导电层侧壁上生长纳米线，所述纳米线与所述源极和所述漏极连接；

s5、将步骤s4处理后的具有凹槽结构的衬底转移固定到另一绝缘衬底上；

s6、在凹槽结构的背部开设贯穿衬底与沉积物的凹槽，使得凹槽两侧的沉积物隔绝开，以使所述凹槽结构两侧的电互联仅取决于桥接纳米线。

本发明的实施包括以下技术效果：

本发明提供的纳米线器件的制备方法，通过在凹槽结构底部设置牺牲层、牺牲条或背部开槽，以除去凹槽内因纳米线生长所形成的沉积物，从而确保了凹槽结构两侧的电互联仅由桥接纳米线决定，消除了导电沉积物对纳米线器件的影响，提高了桥接纳米线器件的性能。并且可以将带有纳米线的凹槽结构转移至其他衬底上(如柔性衬底)，以增加应用的灵活性。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1为本发明的实施例1、实施例2和实施例3进行了s1之后的衬底。

图2为本发明的实施例1、实施例2和实施例3进行了s2之后的衬底。

图3为本发明的实施例1进行了s3之后的衬底。

图4为本发明的实施例1进行了s4之后的衬底。

图5为本发明的实施例1进行了s5之后的衬底。

图6为本发明的实施例1进行了s6之后的衬底。

图7为本发明的实施例2进行了s3之后的衬底。

图8为本发明的实施例2进行了s4之后的衬底。

图9为本发明的实施例2进行了s5之后的衬底。

图10为本发明的实施例2进行了s6之后的衬底。

图11为本发明的实施例3进行了s3之后的衬底。

图12为本发明的实施例3进行了s4之后的衬底。

图13为本发明的实施例3进行了s5之后的衬底。

图14为本发明的实施例3进行了s6之后的衬底

1、衬底；2、导电层；3、源电极；4、漏电极；5、催化剂颗粒；6、牺牲条；7、纳米线；8、沉积物；9、牺牲层；10、绝缘衬底；11、凹槽。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参见图1至图10，本实施例的一种基于桥接生长的纳米线器件，包括设置有凹槽结构的绝缘衬底1、导电薄层2和纳米线7。在衬底上刻蚀凹槽结构时，导电层被分割于凹槽结构的两侧，一个凹槽侧壁上的导电层作为纳米线器件的源电极3，另一个凹槽侧壁上的导电层作为纳米线器件的漏电极4，源电极3与漏电极4通过纳米线7连接；凹槽结构的底部设置有牺牲层9或牺牲条6，所述牺牲层9或牺牲条6用于除去在生长纳米线时沉积在凹槽结构内的沉积物8；或所述凹槽结构的背部设置有贯穿衬底和沉积物的凹槽11，使得凹槽11两侧的沉积物8相互隔绝。纳米线7是一次性生长得到的整根纳米线。本实施例中纳米线与导电层的结合，是在纳米线生长中形成的化学键结合，具有更牢的结合力、以及更好的导电性。

参见图1至图10，本实施例还提出了一种基于桥接生长的纳米线器件的制备方法，可以按以下方式实现：

s1、在衬底1表面沉积导电层2，如图1所示。该绝缘衬底1优选自玻璃、石英、以及蓝宝石等材质。导电层2优选自氧化物、氮化物(如tin、gan、algan以及ingan等)、金属或者碳中的一种或者任几种。

s2、利用化学刻蚀、激光烧蚀或机械切削的方法，在衬底表面制备凹槽结构。该凹槽结构穿透导电层2、并深入衬底1内部，从而使得导电层2分成相互绝缘的两部分――分别作为纳米线器件的源电极3与漏电极4，如图2所示。

s3、在凹槽底部生长牺牲层9，如图3所示，凹槽底部之外的牺牲层可以通过光刻与腐蚀的办法除去；本步骤中，也可以用牺牲条6取代牺牲层9，即在凹槽内放置石英纤维做为牺牲条6，如图7所示。

s4、在导电层侧壁上附着催化剂颗粒5，用于引导纳米线7生长，如图3、8所示。该催化剂颗粒5优选自金、镍、铁、金镍合金、镓、铟、以及氮化镓材质。催化剂颗粒5可以附着在导电层侧壁的任意一侧或两侧。

s5、在导电层侧壁上生长纳米线7，随着纳米线7的生长，纳米线7的顶端与另一侧的导电层相遇并结合到一起――即桥接纳米线7，这种结合力是固体间的化学键力。生长纳米线的同时，在凹槽底部与侧壁也会形成沉积物8，如图5、图9所示。该沉积物8的材质与纳米线7的材质相近(因为该沉积物8与纳米线7是在生长过程中同时形成的)。因此，沉积物8也具有导电性，会导致纳米线7的旁路电流从而降低纳米线器件的性能，旁路电流如图5、图9中的箭头所示。

s6、利用选择性化学腐蚀将牺牲层9除去，由于沉积物8是附着在牺牲层9的表面，当牺牲层9被腐蚀除去时沉积物8则形成悬空的疏松结构，因此可以通过超声振动等办法将悬空的沉积物8除去。对于另外一种方式――即采用牺牲条6的方案，可以通过化学腐蚀除去牺牲条6，也可以通过施加外力直接抽离牺牲条6，同时把顶部附着的沉积物8带走。此时，凹槽内的沉积物8被全部(或部分)除去，沉积物8不再构成连续的导电通道，桥接纳米线7是凹槽两侧的源电极3与漏电极4之间的唯一导电通道，如图5、9所示。

纳米线7的生长方法优选自化学气相沉积法、分子束外延法、电化学生长法、静电纺丝法或以及水热合成法等方法。纳米线材质优选氧化铟锡、氮化钛、氮化镓、氮化镓铟、氮化镓铝、砷化铝镓铟、硅、锗、硅锗、碳化硅或磷化铝镓铟等材质。

下述以三个实施例作为具体的示例：

实施例1

s1、在蓝宝石(即氧化铝晶体)衬底1(绝缘衬底)的表面，利用化学气相沉积工艺，生长一层n型氮化镓导电层2，如图1所示。该导电层2的厚度在1～20微米之间。

s2、利用化学腐蚀工艺，在衬底表面制备凹槽结构，该凹槽结构将氮化镓导电层2分隔开，做为纳米线的源电极3与漏电极4，如图2所示(源电极与漏电极之间电绝缘)。

s3、在衬底表面生长氧化硅层做为牺牲层，将凹槽之外的氧化硅牺牲层通过光刻与腐蚀的办法除去，仅留凹槽底部的氧化硅牺牲层9，如图3所示。

s4、接着在导电层侧壁上附着镍金催化剂颗粒5，用于引导纳米线7生长，如图4所示。该催化剂颗粒的数量优选1至1000之间。

s5、利用金属有机物化学气相沉积，在导电层侧壁上生长氮化镓纳米线7，随着纳米线的生长，纳米线的顶端与另一侧的导电层相遇并结合到一起――即桥接纳米线7。在纳米线生长的同时，在凹槽底部与侧壁也会形成氮化镓沉积物8，如图5所示。

s6、将生长完纳米线的衬底，置于氢氟酸溶液中腐蚀，将氧化硅牺牲层9腐蚀除去。由于氢氟酸溶液对氧化硅具有选择性腐蚀(即氢氟酸只腐蚀氧化硅，不腐蚀蓝宝石衬底与氮化镓纳米线)，使得附着在氧化硅表面的氮化镓沉积物8处于悬空状态，而且该沉积物为疏松多孔的状态，因此可以通过超声振动将悬空的氮化镓沉积物8除去。此时，沉积物8不再构成连续的导电通道，桥接纳米线7是凹槽两侧的导电层3与导电层4之间的唯一导电通道，如图6所示。

当桥接的氮化镓纳米线，受到外界气体、压力、应变、温度或光强的激励时，纳米线的电学特性(如电阻)会发生变化，从而实现器件的功能。

实施例2

s1、在石英衬底1(绝缘衬底)的表面，利用磁控溅射镀膜，生长一层n型硅导电层2，如图1所示。该导电层2的厚度在0.1～5微米之间。

s2、利用机械切削(即机械划痕)工艺，在衬底表面制备凹槽结构使得硅导电层分隔开，形成纳米线的源电极3与漏电极4，如图2所示。

s3、在凹槽内放置石英纤维(该纤维直径小于凹槽宽度)做为牺牲条6，如图7所示。

s4、接着在导电层侧壁上附着金颗粒5，用于引导纳米线7生长如图8所示。

s5、利用分子束外延，在导电层侧壁上生长砷化镓纳米线7，使得纳米线7的顶端与另一侧的导电层相遇并结合到一起――即桥接纳米线7，在纳米线生长的同时，在凹槽内也会产生砷化镓沉积物8，由于牺牲条6的遮挡，凹槽底部的部分区域没有沉积物8，如图9所示。

s6、将牺牲条6抽出，附着在牺牲条表面的沉积物8也随之被抽离凹槽。此时，在凹槽底部，沉积物8不再构成连续的导电通道，因此桥接纳米线7是凹槽两侧的导电层3与导电层4之间的唯一导电通道，如图10所示。

实施例3

s1、在导电的硅衬底1(如n型硅衬底)的表面，利用磁控溅射镀膜，生长一层n型硅导电层2，如图1所示。该导电层2的厚度在0.1～5微米之间。

s2、利用化学腐蚀工艺，在导电的硅衬底1(如n型硅衬底)表面制备凹槽结构，该凹槽结构的两侧做为纳米线的源电极3与漏电极4，如图2所示。

s3、接着在导电层侧壁上附着催化剂颗粒5，用于引导纳米线7生长，如图11所示。该催化剂颗粒的数量优选1至1000之间。

s4、利用化学气相沉积，在凹槽侧壁上生长硅纳米线7，随着纳米线的生长，纳米线的顶端与另一侧的导电层相遇并结合到一起――即桥接纳米线7。在纳米线生长的同时，在凹槽底部与侧壁也会形成硅沉积物8，如图12所示。

s5、将衬底1固定到另一衬底10(即绝缘衬底10)上，如图13所示。

s6、在凹槽结构的背部开设贯穿硅衬底1与沉积物8的凹槽，使得凹槽11两侧的沉积物8隔绝开，以使所述凹槽结构两侧的电互联仅取决于桥接纳米线，如图14所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。