[發明專利]一種選區外延納米柱陣列的有序轉移方法

在審

• 申請號: 201710028756.0
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106698333A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 李俊澤;李沫;龍衡;王文杰;張健
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙)51211
• 代理人: 蔣斯琪

技術領域

本發明屬于納米材料科學與技術和低維光電器件領域，涉及利用SiO₂作為掩膜的選區外延形成的納米柱陣列，具體涉及一種選區外延納米柱陣列的有序轉移方法。

背景技術

納米柱等三維納米結構相比于二維層狀材料，具有大表體比、大表面積、寬高比可調、尺寸周期可調等特性，可用于光解水、生物醫學探測、傳感器等功能器件、新能源器件、光電子器件等，也因此成為國際研究熱點。

目前納米柱的制備方法分為兩種大的類別：自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）。自上而下的方法主要通過納米壓印、電子束刻蝕、深紫外光刻、納米小球等方式配合刻蝕以及腐蝕技術實現；自下而上的方式主要通過自組織生長和掩膜選區外延實現，區別在于納米結構的排列是否隨機，生長模式也根據是否有催化劑等區別有所細分。本發明針對的納米柱制備方式為利用制備開孔型納米圖形化襯底進行MOCVD選區外延得到均勻且整齊排列的納米柱陣列。

通常用上述MOCVD選區外延的方式獲得納米柱陣列是通過帶掩膜的圖形化藍寶石襯底實現，但藍寶石襯底的導電性能不足以使得大面積納米柱陣列可以直接制備各種器件，另外一些應用需要轉移到柔性襯底上制備，例如納米發電機等功能器件，因此需要轉移半導體納米柱材料。現有的一些手段可以從外延片上獲得納米柱，例如鑷子等剮蹭或者溶液中超聲并用銅網過濾獲得納米柱，但這種方式是無序的，失去了納米柱陣列的優勢，也就限制了納米柱陣列在更大范圍內的使用和特定微納器件中的集成。另外，直接使用納米柱陣列外延片為電極制備等工藝帶來困難，需要通過納米級別的光刻工藝透過掩膜層配合精準的電極制備才能完成，無疑進一步增加了工藝難度。因此，一種大面積納米柱陣列有序轉移方法對實現并擴展納米柱材料的應用有重要作用。

發明內容

本發明提供了一種選區外延納米柱陣列的有序轉移方法，是在帶開孔型掩膜圖形化藍寶石襯底上選區外延納米柱陣列基礎上，通過聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）和緩沖氧化物浸蝕劑（buffer oxide etch，BOE溶液）腐蝕液的配合實現大面積納米柱材料陣列的有序轉移方法，該方法克服襯底對納米柱材料的應用限制，擴展納米柱材料的應用范圍并保持其排列的有序性優勢。相比于單純用PDMS固化脫模，腐蝕液能保留孔型掩膜內的納米材料部分也為后續的納米柱電極設計或鍵合到其他襯底材料降低工藝難度。

本發明的技術方案如下：

一種選區外延納米柱陣列的有序轉移方法，其特征在于包括如下步驟：

1）準備納米柱材料選區生長外延片

外延片的襯底為帶開孔型SiO₂掩膜的藍寶石襯底，掩膜厚度為70-150納米，周期范圍1~3微米，利用金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）或者分子束外延（MBE）完成納米柱選區外延之后，單根納米柱直徑在300~800納米，高度在5~20微米，形成具有周期性排列均勻納米柱陣列。

2）旋涂固化PDMS

在外延片表面旋涂一層PDMS預聚物，PDMS預聚物的厚度依據納米柱高度決定，一般至少低于納米柱頂部1微米；隨后將旋涂有PDMS預聚物的外延片放入真空保持50-90分鐘，使得PDMS與納米柱陣列充分接觸并排出混合液中的氣泡；最后將外延片放在加熱板上，保持90-135℃，加熱1-2小時，使選區外延納米柱材料中的PDMS預聚物完全固化，PDMS均勻填充在納米柱陣列空間，形成PDMS固化聚合物，包裹納米柱材料保護納米柱陣列脫模過程中的完整性和有序性。

3）腐蝕襯底掩膜層

將完成PDMS固化的外延片放入準備好的BOE溶液中進行濕法腐蝕，因為SiO₂掩膜層與腐蝕液的接觸不充分，因此需要更多的腐蝕時間約為5-7分鐘；腐蝕完襯底掩膜層，保留掩膜孔中的納米柱材料為后續電極制備或鍵合到其它柔性襯底提供方便。

4）清洗并脫模

將外延片從腐蝕液中取出，用酒精清洗，再用去離子水反復進行沖洗干凈，去除BOE腐蝕液，并用氮氣槍將之吹干；將PDMS固化聚合物從外延片表面揭下，即可得到大面積有序排列納米柱陣列。

本發明的有益效果如下：