单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于金刚石化学气相沉积技术领域，涉及单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]目前，第三代半导体材料如金刚石、GaN和SiC都是近年来国内外研宄的热点，但是相比于GaN和SiC而言，金刚石表现出更优越的性能。金刚石材料的禁带宽度大，临界击穿电场强度高，载流子的饱和漂移速率以及迀移率都非常大，介电常数非常小，特别适用于高频、高压、高功率电子器件。它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料，在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中具有极佳的应用前景。高质量的金刚石薄膜是从事金刚石研宄以及金刚石应用的基础。近年来，化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜的制备取得了令人瞩目的进展，从而使得金刚石的优异特性得到了多方面的应用。
[0003]金刚石纳米结构的制备是金刚石潜在应用的研宄方向之一，例如，近年来兴起的金刚石纳米锥、纳米线、纳米棒等等。因此有必要探索金刚石纳米结构的制备方法，来提升金刚石的应用空间。
[0004]另外，尽管单晶金刚石薄膜的制备取得了一定的成果，但是与其他单晶半导体薄膜相比，单晶金刚石薄膜依然具有较高的位错密度。半导体薄膜中较高的位错密度会对器件性能有较大的影响，例如金刚石肖特基二极管在金刚石薄膜位错密度增加时将引起肖特基二极管漏电流增大，导致金刚石肖特基二极管的耐压性能下降。因此，获得高质量单晶金刚石薄膜依然是当前研宄需要解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法和应用，以获得单晶金刚石纳米阵列结构，并在该结构基础上进行单晶金刚石薄膜的生长。
[0006]本发明所采用的第一种技术方案是，单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法，包括以下步骤:
[0007]a.以单晶金刚石为衬底，将纳米分散液滴到单晶金刚石表面，通过旋涂的方法在单晶金刚石表面均匀分散；
[0008]b.利用反应离子刻蚀技术，采用氧等离子体来刻蚀所述步骤a中分散有纳米颗粒的单晶金刚石；
[0009]c.采用湿法刻蚀或超声清洗方法，去除单晶金刚石衬底表面的纳米颗粒，即形成单晶金刚石纳米柱阵列结构。
[0010]进一步的，纳米颗粒为纳米二氧化娃、纳米三氧化二销或纳米二氧化钛中的任意一种，且所述纳米颗粒直径为1nm?3 μ??ο
[0011]进一步的，纳米分散液是将纳米颗粒分散到酒精或者丙酮溶液中制备得到。
[0012]进一步的，单晶金刚石为高温高压法制备的单晶金刚石或微波等离子体化学气相沉积法制备的单晶金刚石。
[0013]进一步的，步骤a中旋涂的具体方法为:利用匀胶机在单晶金刚石表面均匀旋涂纳米分散液，通过调节分散液浓度和旋涂速度，以获得在金刚石衬底表面均匀紧密排列的单层纳米颗粒。
[0014]进一步的，步骤b中的刻蚀条件为:氧气40sccm，压强8Pa，功率200W。
[0015]进一步的，步骤c中湿法刻蚀的具体方法为:
[0016]I)若纳米颗粒为二氧化硅，则采用氟化氢溶液对其进行溶解；若纳米颗粒为三氧化二铝，则采用盐酸对其进行溶解；若纳米颗粒为二氧化钛，则采用热的浓硫酸对其进行溶解；
[0017]2)再对经步骤I)溶解后的单晶金刚石依次采用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，以去除残留溶解物。
[0018]进一步的，步骤c中超声清洗的具体方法为:对单晶金刚石表面直接依次采用丙酮、酒精和去离子水进行超声清洗，以去除纳米颗粒。
[0019]本发明所采用的第二种技术方案是，单晶金刚石纳米柱阵列结构在生成单晶金刚石薄膜中的应用，通过在单晶金刚石衬底表面的纳米柱上进行金刚石同质外延生长，并在纳米凹槽上横向生长，从而在单晶金刚石纳米柱阵列结构的衬底上生长出单晶金刚石薄膜。
[0020]本发明的有益效果是，采用自组装工艺，对单晶金刚石衬底进行处理，获得单晶金刚石纳米柱阵列结构，再对其进行横向外延生长，获得高质量的单晶金刚石薄膜，可以有效的降低位错密度，改善单晶金刚石薄膜的生长质量。
【附图说明】
[0021]图1是本发明旋涂纳米颗粒分散液的过程示意图；
[0022]图2a是本发明旋涂完纳米颗粒分散液的金刚石衬底的主视图，图2b是图2a的俯视图；
[0023]图3是本发明对分散有纳米颗粒的单晶金刚石进行刻蚀的示意图；
[0024]图4是本发明步骤b刻蚀完成后的单晶金刚石的示意图；
[0025]图5是去除纳米颗粒后的单晶金刚石纳米柱阵列的结构示意图；
[0026]图6a是金刚石纳米柱阵列外延生长的示意图，图6b是金刚石纳米柱阵列横向生长的示意图，图6c是金刚石纳米柱阵列生长结束后的连续单晶金刚石薄膜示意图。
[0027]图中，101.单晶金刚石，102.纳米颗粒，103.纳米分散液，104.氧等离子体，105.金刚石纳米柱，106.单晶金刚石薄膜。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0029]一、本发明提供了一种单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法，包括以下步骤:
[0030]a.以单晶金刚石101为衬底，将纳米分散液103滴到单晶金刚石表面，利用匀胶机在单晶金刚石表面均匀旋涂纳米分散液103，通过调节分散液浓度和旋涂速度，以获得在单晶金刚石101衬底表面均匀紧密排列的单层纳米颗粒102。
[0031]旋涂的具体方法为:在单晶金刚石101表面形成纳米颗粒102掩膜层的具体方法为，首先取一定量的纳米颗粒102分散到一定量的酒精或者丙酮当中，通过超声清洗机对分散液进行超声搅拌一定时间，来保证纳米颗粒102在酒精或丙酮中均匀分散。将纳米分散液103滴到单晶金刚石101表面，利用匀胶机在单晶金刚石101表面均匀旋涂纳米分散液103。通过调节分散液浓度和旋涂速度，获得在单晶金刚石101表面均匀紧密排列的单层纳米颗粒102。也可以采用自聚集方式，将单晶金刚石101置于分散液中一段时间后，自然风干，得到表面含有纳米颗粒层的样品。图1展示的纳米颗粒层的旋涂过程，图2a和图2b分别是纳米颗粒层旋涂后的单晶金刚石样品的主视图和俯视图。
[0032]b.利用反应离子刻蚀技术，采用氧等离子体来刻蚀步骤a中分散有纳米颗粒的单晶金刚石；该刻蚀条件为:氧气40sccm，压强8Pa，功率200W。
[0033]刻蚀金刚石以形成单晶金刚石纳米柱阵列的具体方法为:将表面旋涂有纳