氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，方法首先在一衬底上依次沉积氮化镓层、掩模层和光刻胶层，然后在光刻胶层上排列一层紧密排列的聚苯乙烯小球，并以聚苯乙烯小球为透镜，对光刻胶层进行曝光并显影，以在光刻胶层形成圆形孔洞阵列，接着采用刻蚀工艺将光刻胶层的图形转移到氧化硅层上，刻蚀直到暴露出下方氮化镓层，以在掩模层形成圆形孔洞阵列，最后在掩模层的圆形孔洞阵列中生长氮化镓纳米柱和和氮化镓纳米锥混合阵列。本发明能大规模生产出氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列，并且氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱的尺寸可控。
【专利说明】
氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法
技术领域
[0001]本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓(GaN)纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法。
【背景技术】
[0002]以GaN及InGaN与AlGaN合金材料为主的II1-V族氮化物材料是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有0.7-6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能。GaN基LED具有节能、环保、冷光源、显色指数高、响应速度快、体积小和工作寿命长等突出优点，其作为新一代照明革命的绿色固体光源显示出巨大的应用潜力。
[0003]GaN材料作为重要半导体材料的优良特性使得一维GaN纳米结构在微纳光电器件、光电探测器件、电子器件、环境和医学等领域具有更广泛的的潜在应用前景，因此，制备性能优异、高质量的一维GaN纳米结构及特性研究就成为当前国际、国内研究的前沿课题。目前GaN纳米结构常用的选取外延生长法的掩模通常都是由电子束曝光和纳米压印的方法制作。但是这两种方法都有各自的缺点:电子束曝光难以大规模生产，而纳米压印则需要制备昂贵的压版，对于尺寸控制的灵活性较差。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本发明的目的在于提供一种氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，能大规模生产出氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列，并且氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱的尺寸可控。
[0006](二)技术方案
[0007]本发明提供的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，包括:
[0008]SI，在一衬底上依次沉积氮化镓层、掩模层和光刻胶层，优选地，衬底为蓝宝石衬底或娃衬底，掩模层的材料为氧化娃或者氮化娃，所述掩模层的厚度为20nm?I OOnm ；
[0009]S2，在光刻胶层上排列一层紧密排列的聚苯乙烯小球，其中，聚苯乙烯小球的直径为200nm?Iym;
[0010]S3，以所述聚苯乙烯小球为透镜，对光刻胶层进行曝光并显影，以在所述光刻胶层形成圆形孔洞阵列；
[0011 ] S4，采用刻蚀工艺将光刻胶层的图形转移到氧化硅层上，刻蚀直到暴露出下方氮化镓层，以在掩模层形成圆形孔洞阵列；
[0012]S5，在掩模层的圆形孔洞阵列中生长氮化镓纳米柱和和氮化镓纳米锥混合阵列。
[0013]进一步，步骤SI中沉积方法包括M0CVD、MBE、HVPE。
[0014]进一步，步骤S3中，采用紫外光源对光刻胶层进行曝光并显影，曝光时间为3s?10s，显影时间为2s?6s。
[0015]进一步，刻蚀工艺包括感应耦合等离子体(ICP)和反应离子刻蚀(RIE)。
[0016]进一步，步骤S5中，采用MOCVD脉冲生长法生长氮化镓纳米柱和和氮化镓纳米锥混合阵列，其中，生长温度为1000°c，载气为氮气与氢气混合气体，比例为1:1，但其流量2000sccm。时间设置为:氨气通入6s后关闭，通入三甲基镓(TMGa)18s，然后关闭，停顿6s。氨气通入流量为500sccm，TMGa流量为70sccmo
[0017]进一步，步骤S3之后还包括，使用剥离工艺或者超声工艺去除聚苯乙烯小球。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明利用聚苯乙烯纳米小球的特性，可以方便地控制所得圆形孔洞的直径和周期距离，并且可以大规模生产，利用特定的脉冲生长方法所得到的纳米器件包含两种形貌的纳米结构，本发明可用于GaN基LED、LD、HEMT等光电器件，也可以用于III/V，II/VI其它半导体器件外延技术。
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例提供的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法的流程图。
[0021]图2为本发明实施例中在衬底上依次沉积平面氮化镓层、掩模层和光刻胶层后横截面图。
[0022]图3为本发明实施例中在光刻胶层上方平铺透明聚苯乙烯小球后截面图。
[0023]图4为本发明实施例中曝光显影并去除聚苯乙烯小球后的横截面图。
[0024]图5为本发明实施例中刻蚀掩模层后横截面图。
[0025]图6为本发明实施例中MOCVD生长后横截面图。
[0026]图7为本发明实施例制得的纳米锥和纳米柱的混合阵列扫描电镜图片。
[0027]附图标记说明
[0028]10 衬底
[0029]11氮化镓层
[0030]12掩模层
[0031]13光刻胶层
[0032]20聚苯乙烯小球
[0033]30圆形孔洞
[0034]40氮化镓纳米柱
[0035]41氮化镓纳米锥
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0037]图1是本发明实施例提供的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法的流程图，如图1所示，方法包括:
[0038]S100，在衬底10上依次沉积平面氮化镓层11、掩模层12和光刻胶层13。如图2所示，衬底10上沉积有氮化镓层11，氮化镓层11上沉积有掩模层12，掩模层的厚度为20nm?lOOnm，掩模层12上沉积有光刻胶层13，其中，光刻胶层13采用正性光刻胶，各层的沉积方法均可采用MOCVD、MBE、HVPE中的一种。
[0039]S200，在光刻胶层13上方排列一单层密排聚苯乙烯小球20。如图3所示，各个聚苯乙烯小球20之间紧密排列，并且该层为单排的密排聚苯乙烯小球，密排聚苯乙烯小球20直径可以根据需要在200nm?Ιμπι之间变化，因此可以方便控制后续所得圆形孔洞30的直径和周期距离。
[0040]S300，以聚苯乙烯小球20为透镜，采用紫外光源曝光并显影，形成圆形孔洞阵列；曝光时间为3s?1s，显影时间为2s?6s。
[0041 ] S400，使用剥离工艺或者超声工艺去除聚苯乙烯小球20，如图4所示，在曝光显影后，光刻胶层贯穿有多个圆形孔洞30。
[0042]S500，采用刻蚀工艺将光刻胶图形转移到掩膜层12上，刻蚀直到暴露出下方氮化镓层11，如图5所示，在经过刻蚀后，掩膜层12也贯穿有多个圆形孔洞30。
[0043]S600，采用MOCVD法生长氮化镓纳米柱和和纳米锥混合阵列，生长温度为1000°C，载气为氮气与氢气混合气体，比例为1:1，但其流量2000sccm。时间设置为:氨气通入6s后关闭，通入三甲基镓(了1?^)188，然后关闭，停顿68，氨气通入流量为5008(^111，了1?^流量为70sccm，制得如图6和图7所示的纳米锥和纳米柱的混合阵列。
[0044]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，包括: Si，在一衬底上依次沉积氮化镓层、掩模层和光刻胶层； S2，在光刻胶层上排列一层紧密排列的聚苯乙烯小球； S3，以所述聚苯乙烯小球为透镜，对所述光刻胶层进行曝光并显影，以在所述光刻胶层形成圆形孔洞阵列； S4，采用刻蚀工艺将光刻胶层的图形转移到氧化硅层上，刻蚀直到暴露出下方氮化镓层，以在所述掩模层形成圆形孔洞阵列； S5，在所述掩模层的圆形孔洞阵列中生长氮化镓纳米柱和和氮化镓纳米锥混合阵列。2.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤SI中沉积方法包括MOCVD、MBE、HVPE。3.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。4.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述掩模层的材料为氧化娃或者氮化娃，所述掩模层的厚度为20nm?I OOnm。5.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述聚苯乙稀小球的直径为200nm?Ιμπι。6.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用紫外光源对所述光刻胶层进行曝光并显影，曝光时间为3s?10s，显影时间为2s?6s。7.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，刻蚀工艺包括感应耦合等离子体和反应离子刻蚀。8.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用MOCVD脉冲生长法生长氮化镓纳米柱和和氮化镓纳米锥混合阵列。9.根据权利要求1所述的氮化镓纳米锥和氮化镓纳米柱混合阵列的制作方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括，使用剥离工艺或者超声工艺去除聚苯乙烯小球。
【文档编号】H01L21/02GK105957801SQ201610373179
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】任鹏, 张宁, 薛斌, 刘喆, 王军喜, 李晋闽
【申请人】中国科学院半导体研究所