氮化物纳米带的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备领域，特别涉及一种氮化物纳米带的制备方法，旨在获得尺寸和结构可控的氮化物纳米带。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，集成电路工艺水平的创新，芯片的集成度不断提高，光电子器件特征尺寸的不断减小，尺寸的缩小给工艺带来了极大的挑战。由于量子隧穿效应，加工线宽不能无限制的减小，而且当材料尺寸达到纳米级时会产生一系列由小尺寸引起的问题，因此纳米科学技术被认为是21世纪最具有发展前景的科学技术，它已推动材料、能源、信息、环境、生医学、农业、国防等各个领域的巨大变革。

氮化铝、氮化镓为直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度分别为6.2ev、3.39ev，氮化镓、氮化铝等材料被称为第三代半导体材料。由于氮化铝、氮化镓有高的热导率，高熔点，耐腐蚀，较小的电子亲和能，带间跃迁发射波长可深入深紫外波段,可广泛应用于光电器件。同时，氮化铝与氮化镓相似的晶格结构和较小的晶格失配度，使得氮化镓和氮化铝异质结生长已成为光电器件研究中的热门。与单成分结构比较，纳米异质结具有独有特性和许多功能，因而有更多的应用范围。由于低维的纳米材料具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应,其光、电、化学以及热性质与体材料相比发生明显的改变。在一些情况下，二维纳米材料比相应的大尺寸材料显示出更优越的性能。对二维纳米材料特性与应用的研究是目前纳米材料研究中的热点课题，二维纳米材料在功能器件中的应用将对电子、信息等领域产生积极的影响。

由于氮化物的应用领域极其广泛，因此氮化物半导体材料的制备显得尤其的重要。目前制备氮化镓和氮化铝纳米材料的方法有很多，有大量文献报道了用化学气相沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法和热分解法等方法；用碳纳米管模板法、直流电弧放电法、化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积等方法制备氮化铝纳米材料。这些制备方法多采用的是自下而上的制备方法，利用自上而下的方法制备的人不多，且氮化镓和氮化铝的纳米材料的采用的是不同的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自上而下制备氮化物纳米带的方法，采用mocvd生长加湿法腐蚀的工艺，制备工艺简单，并能同时实现氮化镓和氮化铝纳米带的制备。

为实现上述目的，本发明提供了一种氮化物纳米带的制备方法。该氮化物纳米带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

刻蚀硅衬底，得到图形化硅衬底；

在图形化硅衬底的壁面上生长氮化物外延层；

对粘连在一起的图形化硅衬底与氮化物外延层结构进行腐蚀，去除图形化硅衬底，得到氮化物纳米带。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，刻蚀硅衬底，得到图形化硅衬底的步骤中，经过刻蚀在硅衬底上形成的刻蚀面为平面。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，硅衬底为si(100)衬底；刻蚀硅衬底，得到图形化硅衬底的步骤包括：将si(100)衬底进行光刻，并进行湿法腐蚀，得到贯通的条形槽，其中，条形槽的横截面呈倒梯形，具有朝向上方的左斜侧面和右斜侧面。在图形化硅衬底的壁面上生长氮化物外延层的步骤中，氮化物外延层生长于所述条形槽的左斜侧面和右斜侧面。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，湿法刻蚀中，采用的刻蚀液为tmah+ipa溶液。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，硅衬底为硅(111)衬底；刻蚀硅衬底，得到图形化硅衬底的步骤包括：在si(111)衬底上进行刻蚀，刻蚀出微米级凹槽，得到图形化si(111)衬底，其中，该微米级凹槽的横截面为矩形。在图形化硅衬底的壁面上生长氮化物外延层的步骤中，氮化物外延层生长于所述微米级凹槽的底面。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，采用金属氧化物化学气相外延方法，在图形化硅衬底的壁面上生长氮化物外延层结构。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，硅衬底为氮化物外延层为aln外延层、algan外延层、ingan外延层、led全结构。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，氮化物外延层为led全结构，利用在图形化硅衬底的壁面上生长氮化物外延层的步骤包括：生长aln缓冲层；在缓冲层上外延n-gan；生长n组量子阱，其中量子阱中，ingan中in组分的含量为15％；生长一层10nm厚的p-gan，从而外延得到led结构。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，采用湿法刻蚀方法，对粘连在一起的图形化硅衬底与氮化物外延层结构，进行腐蚀去除图形化硅衬底。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，湿法刻蚀方法中，使用的腐蚀溶液是硝酸溶液、氢氟酸溶液以及去离子水按照比例配成的溶液。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，刻蚀硅衬底的步骤之前还包括：对硅衬底进行标准rca清洗。

优选地，本发明氮化物纳米带的制备方法中，得到氮化物纳米带的步骤之后还包括：利用吸管将氮化物纳米带吸出至目标地点进行晾干。

从上述技术方案可以看出，本发明氮化物纳米带的制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)该方法对si衬底的晶向没有苛刻的要求，在si(100)和si(111)衬底上皆可进行；

(2)硅衬底的使用可降低生产成本；

(3)图形衬底的刻蚀方法多样，干法湿法均可；

(4)利用图形化衬底生长氮化物，由于图形衬底的尺寸可控，生长氮化物的尺寸可控；

(5)利用mocvd外延氮化物，其生长厚度可控；

(6)硅衬底的腐蚀工艺成熟，且氮化物化学性质稳定，不容易被腐蚀；

(7)这种方法可以制备任何化学性质稳定的可以使用mocvd外延的物质的氮化物纳米带。

附图说明

图1a为根据本发明第一实施例氮化物纳米带制备方法的流程图。

图1b为依照图1a所示的氮化物纳米带制备方法在步骤s104后的氮化物纳米带的结构图。

图2a为根据本发明第二实施例氮化物纳米带制备方法的流程图。

图2b为依照图2a所示的氮化物纳米带制备方法在步骤s206后的氮化物纳米带的结构图。

图3a为根据本发明第三实施例氮化物纳米带制备方法的流程图。

图3b为依照图3a所示氮化物纳米带制备方法在步骤s306后的氮化物纳米带的结构图。

【附图元件符号说明】

1-硅衬底；2-图形化硅衬底；3-图形化si(100)衬底；

4-氮化物外延层；5-氮化物纳米带；6-si(100)衬底；

7-左斜侧面；8-右斜侧面；9-条形槽；

10-si(111)衬底；11-底壁面；12-图形化si(111)衬底；

13-微米级凹槽；14-左上壁面；15-右上壁面；

16-刻蚀面；17-上壁面。

具体实施方式

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，对本发明进一步说详细说明。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种氮化物纳米带的制备方法。图1a为根据本发明第一实施例氮化物纳米带制备方法的流程图。如图1a所示，本实施例氮化物纳米带的制备方法包括以下步骤：

步骤s102，刻蚀硅衬底1，得到图形化硅衬底2，该图形化硅衬底2的上壁面17具有刻蚀面16。

步骤s104，在图形化硅衬底2的刻蚀面16上，生长氮化物外延层4。

图1b为依照图1a所示第一氮化物纳米带制备方法在步骤s104后的氮化物纳米带的结构图。如图1b所示，图形化硅衬底2的上壁面17具有刻蚀平面16，本步骤中，利用金属氧化物化学气相外延方法生长氮化物纳米带5，在刻蚀平面16上生长氮化物外延层4。氮化物外延层4可以用mocvd生长的化学性质稳定的结构，可以为aln外延层、algan外延层、ingan外延层、led全结构。用上述生长方法，生长得到一条氮化物纳米带5，氮化物外延层4结构是与图形化硅衬底2粘连在一起的。

步骤s106，请继续参照图1b，对粘连在一起的图形化硅衬底2与氮化物外延层4结构行腐蚀，以除去图形化硅衬底2，得到氮化物纳米带5。

步骤s108，将腐蚀后得到的氮化物纳米带5进行转移。

基于上述说明，本领域技术人员可以理解的是，采用本实施例的制备方法，对硅衬底的晶向没有苛刻的要求，图形衬底的刻蚀方法多样，干法湿法均可；利用图形化衬底生长氮化物，由于图形衬底的尺寸可控，生长氮化物的尺寸可控。

至此，本发明第一实施例氮化物纳米带的制备方法，介绍完毕。

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了另一种氮化物纳米带的制备方法。图2a为根据本发明第二实施例氮化物纳米带制备方法的流程图。如图2a所示，本实施例氮化物纳米带的制备方法，包括以下步骤：

步骤s202，采用si(100)衬底6，厚度为400μm，用rca标准清洗法清洗干净。

步骤s204，将si(100)衬底6进行光刻，并利用tmah+ipa溶液进行腐蚀，得到宽度为5μm，深度为10μm的贯通的条形槽9，得到图形化si(100)衬底3。其中，所述条形槽9的横截面呈倒梯形。

步骤s206，将图形化si(100)衬底3采用rca标准清洗后，送入金属有机化合物气象外延(mocvd)设备中，条形槽9的左斜侧面7与右斜侧面8上分别生长氮化物外延层。

图2b为依照图2a所示氮化物纳米带制备方法在步骤s206后的氮化物纳米带的结构图。如图2b所示，首先生长一层330nm厚的aln缓冲层，再在缓冲层上外延约3μm厚的n-gan，接着生长5组量子阱，其中阱厚3nm，垒厚17nm，ingan中in组分的含量为15％。在这基础上生长一层10nm厚的p-gan，外延得到led结构。

步骤s208，利用硝酸和氢氟酸的混合溶液将图形化si(100)衬底3腐蚀掉，得到氮化物纳米带5。然后使用68％的hno3与5m的hf混合溶液在对si衬底进行化学腐蚀；腐蚀时间为30分钟，之后将其溶液极性无限次的稀释。

步骤s210，利用吸管将氮化物纳米带5吸出，放到无刻蚀的硅衬底上晾干即可得到led全结构的氮化物纳米带5。

利用mocvd外延氮化物制备氮化物纳米带，其生长厚度可控；si(100)衬底的腐蚀工艺成熟，且氮化物化学性质稳定，不容易被腐蚀；si(100)衬底的使用可降低生产成本。

至此，本发明第二实施例氮化物纳米带的制备方法，介绍完毕。

三、第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了另一种氮化物纳米带的制备方法。图3a为根据本发明第三实施例氮化物纳米带制备方法的流程图，本实施例第三氮化物纳米带的制备方法，包括以下步骤：

步骤s302：对si(111)衬底10进行标准rca清洗。

步骤s304：在si(111)衬底10上进行刻蚀，刻蚀出微米级凹槽13，得到图形化si(111)衬底12。

其中，该微米级凹槽13的横截面为矩形。

步骤s306：利用mocvd在图形化si(111)衬底12微米级凹槽13的左上壁面14、右上壁面15与底壁面11上外延氮化物外延层4。

图3b为依照图3a所示氮化物纳米带制备方法中，在步骤s306后采用si(111)衬底10生长氮化物纳米带5的结构图。

步骤s308：利用硝酸和氢氟酸的混合溶液将图形化si(111)衬底12腐蚀掉，得到氮化物纳米带5。

步骤s310：利用吸管将氮化物纳米带5转移到衬底上。

利用mocvd外延氮化物制备氮化物纳米带，其生长厚度可控；si(111)衬底的干法腐蚀工艺成熟，且氮化物化学性质稳定，不容易被腐蚀；si(111)衬底的使用可降低生产成本。

至此，本发明第三实施例氮化物纳米带的制备方法，介绍完毕。

当然，根据实际需要，本发明显示的氮化物纳米带的制备方法，还包含其他的工艺和步骤，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

至此，本发明第四实施例氮化物纳米带的制备方法，介绍完毕。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

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。