[发明专利]一种III族氮化物纳米结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料制备领域，特别涉及一种III族氮化物纳米结构的制作方法，旨在获得尺寸可控且分布有序的III族氮化物纳米结构材料。

背景技术

作为第三代半导体材料，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度大、化学稳定性好、抗辐照、耐高温等优势，是制作高质量蓝绿光发光二极管、紫外探测器和高电子迁移率晶体管的理想材料。并且，GaN基材料兼有优良的半导体和压电两种物理特性，当其被施以外界应变时，Ga³⁺正离子与N^3-负离子会发生分离，产生的压电电势能够驱动材料中的载流子，通过低维纳米结构的引入，可以有效地将日常生活中随机的机械能转化为电能，如微风、身体运动、肌肉拉伸、声波、噪声、机械振动以及血液流动等，从而在纳米发电机、自驱动传感器网络和纳米光机电一体化系统领域具有广泛的应用前景。

目前，III族氮化物纳米结构的生长手段主要有：催化剂辅助气液固生长、化学气相沉积、激光脉冲沉积、等离子辅助分子束外延生长以及选择区域沉积等。它们都是在衬底基片上直接生长得到，通过优化生长条件实现材料的三维柱状生长，通常来说，这些制备方法需要复杂的生长工艺控制，并且得到的III族氮化物纳米结构材料是随机分布在衬底基片上，其晶体取向不一致，这非常不利于纳米器件的制作和实际应用。而且引入金属催化剂，容易在材料内部形成金属杂质，大大影响制备材料的纯度，同时也污染反应腔体。

为此，制备高质量、尺寸可控且有序的一种III族氮化物纳米柱垂直阵列结构材料的制作方法显得至关重要。

发明内容

本发明的目的旨在解决制备III族氮化物纳米结构材料中尺寸和取向难控制、纳米结构质量低下等关键问题，提出了一种采用刻蚀图形化制作III族氮化物纳米结构的方法。

为解决上述问题，本发明提供了一种III族氮化物纳米结构的制作方法，包括以下步骤：

在衬底上生长III族氮化物薄膜；

在所述III族氮化物薄膜上涂覆电子束光刻胶层；

采用电子束直写技术对所述电子束光刻胶层按照预先设计的纳米图形进行曝光；

对曝光后的电子束光刻胶层依次进行显影、定影和清洗处理，在所述III族氮化物薄膜上形成具有所述纳米图形的电子束光刻胶掩膜层；

以所述电子束光刻胶掩膜层为掩膜，在所述III族氮化物薄膜上沉积金属薄膜层；

采用金属剥离法去除所述电子束光刻胶掩膜层和电子束光刻胶掩膜层上的金属薄膜层，在所述III族氮化物薄膜的表面形成与所述电子束光刻胶掩膜层的图形互补的图形化金属掩膜层；

以所述金属掩膜层为掩膜，采用干法刻蚀技术刻蚀所述III族氮化物薄膜，形成图形化纳米结构；

腐蚀去除所述金属掩膜层，形成III族氮化物纳米结构。

优选地，所述在衬底上生长III族氮化物薄膜为在衬底上生长单层或多层III族氮化物薄膜。

优选地，所述III族氮化物薄膜选自氮化镓、氮化铟、氮化铝以及它们相互形成的三元材料和四元材料中的一种或者多种；其中，所述三元材料为Al_xGa_1-xN、In_xGa_1-xN和Al_xIn_1-xN中的一种或多种，x值为0<x<1；所述四元材料为Al_xIn_yGa_1-x-yN，x值为0<x<1，y值为0<y<1，且x+y值为0<x+y<1。

优选地，所述的III族氮化物薄膜掺杂种类为非掺杂型、N型掺杂型或P型掺杂型。

优选地，采用有机金属化学气相沉积法、激光脉冲沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法或脉冲原子层外延法在衬底上生长所述III族氮化物薄膜。

优选地，生长的III族氮化物单层薄膜厚度或多层薄膜总厚度为10nm-10μm。

优选地，所述电子束光刻胶层的厚度为50-500nm。

优选地，所述纳米图形为圆形或者多边形，所述圆形的直径或者多边形的边长为10-300nm。

优选地，所述纳米图形为由多个纳米图形单元组成的阵列图形，所述图形单元为圆形或者多边形，所述圆形的直径或者多边形的边长为10-300nm。

优选地，所述干法刻蚀技术为感应耦合等离子体刻蚀法或反应离子刻蚀法。

优选地，采用干法刻蚀技术刻蚀所述III族氮化物薄膜，形成垂直所述衬底的图形化纳米结构。