[發明專利]一種基于平面納米線線形設計和引導的可拉伸晶體半導體納米線的制備方法

在審

• 申請號: 201710450420.3
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107460542A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 余林蔚;薛兆國;董泰閣;王軍轉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C30B25/18
• 分類號: C30B25/18;C30B29/60;C30B29/06;C30B29/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳建和

1.一種基于平面納米線線形設計和引導的可拉伸晶體半導體納米線的制備方法，其特征步驟包括：1)采用包括玻璃、二氧化硅片或者硅片襯底，對玻璃、二氧化硅片或者硅片等襯底進行標準化清洗，去除表面有機物和金屬殘余；2)利用光刻技術或表面圖案刻蝕技在襯底表面刻蝕一定深度的臺階，此引導臺階的線形任意設計和定義；為了實現可拉伸的柔性晶態半導體溝道結構，將臺階線形設計成非直線的彎曲的彈簧或zigzag蛇形引導溝道形陣列，在襯底上刻蝕制作出深度150±10nm、但不超過350nm彈簧形的引導溝道陣列、或為空間弛豫的單線連通的分形彎曲二維分布結構；3)通過平面納米線引導生長方法，使直徑約130±20nm直徑的晶體納米線精確地沿著所述引導溝道生長，形成納米線彈簧陣列：通過光刻lift-off或者掩模板技術，在引導溝道一端蒸鍍淀積催化金屬薄膜塊，作為金屬液滴的形成初始點和納米線的起始位置；4)在PECVD系統中利用包括氫氣的還原性等離子體處理金屬薄膜，去除表面的氧化層，并使之形成直徑在幾十納米到一個微米之間的納米金屬催化顆粒；5)淀積覆蓋一層適當厚度的非晶半導體層作為前驅體介質；6)在真空中或者非氧化性氣氛中退火生長、溫度在250℃以上，使得金屬液滴開始順著引導臺階運動，吸收非晶層并沿途淀積出晶態的納米線結構。

2.根據權利要求1所述的可拉伸晶體半導體納米線溝道制備方法，步驟1)中所述襯底為硅片、玻璃、陶瓷片以及可耐高溫到350℃的聚合物襯底；硅片為表面覆蓋二氧化硅或者氮化硅等介質層的P型或者N型單晶或者多晶硅片，玻璃為普通玻璃或者石英玻璃，聚合物可為能承受一定高溫(>350℃)處理，與真空環境相兼容的柔性聚合物；所述二氧化硅襯底厚度大于250nm。

3.根據權利要求1所述的可拉伸晶體半導體納米線溝道制備方法，其特征是步驟3)中，再次使用光刻對準技術在溝道的位置上催化劑區域，通過平面納米線引導生長方法，使直徑約130±20nm直徑的晶體納米線精確地沿著所述引導溝道生長，形成彈簧形狀的納米線；蒸鍍In,Sn金屬，在于引導溝道位置形成幾十納米的金屬膜圖案；步驟4)中在PECVD系統中利用等離子體處理技術，在200℃到450℃范圍內、功率0.2-100瓦之間進行處理，使金屬膜縮球形成直徑在幾十納米到幾個微米之間的納米催化顆粒；尤其是在350℃、功率2-5W時進行處理，使金屬膜縮球形成直徑在幾百納米到幾微米之間的準納米催化顆粒；再次使用PECVD系統覆蓋一層適當厚度的非晶硅(幾納米到幾百納米)的非晶硅作為前驅體介質層；在真空氛圍下，350℃環境中退火，利用IP-SLS生長模式，使得納米線從催化劑區域沿著引導溝道生長，形成并獲得彈簧結構的納米線。

4.根據權利要求1所述的可拉伸晶體半導體納米線溝道制備方法，步驟3)中其特征所述催化金屬膜為低熔點金屬銦、錫、鎵、鉛、鉍等，以及它們的合金和氧化物材料，及與所生長的晶態納米線材料相匹配的金、銀、銅等貴金屬。

5.根據權利要求1所述的可拉伸晶體半導體納米線溝道制備方法，其特征是步驟2)中：首先使用光刻刻蝕技術在光刻膠層定義平面納米線的引導溝道或稱引導臺階線形，采用干法刻蝕，然后利用反應等離子體(RIE)或者感應等離子體(ICP)刻蝕技術將圖形向下刻蝕到襯底之中，其刻蝕深度在幾個到幾百納米范圍；

刻蝕方法或用濕法刻蝕：氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)等堿性腐蝕體系，也可以是氫氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氫氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性腐蝕體系，是乙二胺鄰苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)等體系；。

6.根據權利要求1所述的彈簧結構晶體納米線的制備方法，其特征是生長出其中彈簧形晶體納米線，納米線為Si，Ge,SiGe,GaAs等晶體材料；使用任意具有拉伸性質的形狀結構，晶體納米線直徑在20-180nm。

7.根據權利要求1所述的可拉伸晶體半導體納米線溝道制備方法，步驟3)包括：利用光刻或者掩模板技術，采用金屬催化層通過熱蒸發、磁控濺射、電子束濺射、脈沖激光濺射和原子層淀積等工藝，蒸鍍銦、錫等催化金屬層薄膜，使之形成幾個微米的金屬膜區域，并在引導溝道特定起始位置與引導臺階交叉。