一種基于橋接生長的納米線器件及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于橋接生長的納米線器件及其制備方法。本發明的一種基于橋接生長的納米線器件，包括設置有凹槽結構的絕緣襯底、導電薄膜和納米線，導電薄膜設置在凹槽結構的兩個側壁上，一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的源電極，另一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的漏電極，源電極與漏電極通過納米線連接。其有益效果是：本發明的納米線器件具有工藝簡單、電接觸性能良好的特點；在納米線生長過程中即可完成納米線器件的制備，省略了傳統的納米線剝離、轉移和排列等步驟，消除了納米線表面的污染和損傷，并改善了金屬電極與納米線之間的電接觸特性。
【專利說明】
一種基于橋接生長的納米線器件及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及納米線器件領域，特別涉及一種基于橋接生長的納米線器件及其制備方法，可用于制備納米線電子器件和光電子器件。
【背景技術】
[0002]納米技術被認為是21世紀的三大科學技術之一。其中，半導體納米線由于其獨特的一維量子結構，被認為是微納電子器件和光子器件的基本結構[Mater.Today，9(2006)18-27]。
[0003]盡管半導體納米線具有重要的應用前景，但是納米線器件的實用化和產業化還需要解決一系列問題，其中的關鍵問題是如何對極其纖細的納米線進行操控、組裝和加工。目前，納米線器件的制備，通常包括以下三個步驟[Nanotechnology ,24(2013)245306]:1.在襯底上垂直生長(或傾斜生長)納米線；2.將納米線從襯底上剝離下來，并轉移到另一個襯底上(此時納米線呈雜亂堆放)；3.利用電場力等方法排列納米線，使得納米線在襯底表面平行有序排列;4.在納米線的兩端鍍電極(在已經成形的納米線表面，覆蓋導電電極)。上述制備方法，存在以下缺點:工藝步驟復雜;納米線的剝離與排列等步驟，需要采用各種化學試劑，會污染(或損傷)納米線表面;導電電極與納米線之間屬于物理接觸，并且納米線表面與電極之間引入的外界污染物，會劣化電接觸特性。
[0004]為此，人們探索如何簡化納米線器件的制備工藝，例如:在納米線的生長過程(步驟I)中，同時實現納米線的排列、以及納米線與電極之間的互聯，從而簡化器件的制備[ZL201110144804.5;Nanotechnology，15(2004)L5-L8]。但是這些方法存在以下缺點:1.需要在襯底上制備半導體臺階(或凹槽)，該臺階(或凹槽)與襯底之間必須電隔離(或電絕緣)，因此需要采用晶片鍵合或離子注入等工藝，在襯底內部形成電隔離層，導致制備工藝復雜；
2.器件的電流路徑是“金屬電極一一半導體臺階(或凹槽)的表面、內部和側壁一一半導體納米線--半導體臺階(或凹槽)的側壁、內部和表面--金屬電極”，因此納米線與金屬電極之間隔著半導體臺階(或凹槽)，從而增加了電子傳輸損耗，并且金屬電極與半導體臺階(或凹槽)之間也屬于物理接觸，電接觸特性仍不佳;3.對于納米線器件，通常需要對納米線的不同區域進行η型(或P型)摻雜，相應的與之接觸的半導體臺階(或凹槽)的側壁也需要進行η型(或P型)摻雜，這增加了工藝復雜度。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、成本低廉、納米線與電極能夠實現化學鍵結合的基于橋接生長的納米線器件及其制備方法。本發明提供的方法能夠簡化納米線器件的制備工藝，又能實現良好的電接觸。
[0006]本發明提供了一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:
[0007]—種基于橋接生長的納米線器件，包括設置有凹槽結構的絕緣襯底、導電薄膜和納米線，導電薄膜設置在凹槽結構的兩個側壁上，一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的源電極，另一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的漏電極，源電極與漏電極通過納米線連接。
[0008]其中，所述凹槽結構的底部設置有導電薄膜，凹槽結構底部的導電薄膜作為納米線器件的柵電極。
[0009]其中，源電極、漏電極和柵電極三者之間相互絕緣。
[0010]其中，納米線的一端或者兩端與側壁的連接處設置有催化劑顆粒;催化劑顆粒是金、鎳、鐵、金鎳合金、鎵、銦或者氮化鎵中的一種或者任幾種。其中，導電薄膜的材質是氧化物、氮化物、金屬、碳、合金或者有機物中的一種或者任幾種。
[0011]其中，絕緣襯底的材質是玻璃、石英、藍寶石或者有機物中的一種或者任幾種。
[0012]其中，納米線是一次性生長得到的整根納米線，納米線具有軸向或徑向的異質結構。
[0013]本發明還提供了一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法，首先在設置有凹槽結構的絕緣襯底上鍍導電薄膜;然后利用光刻或者腐蝕工藝對導電薄膜進行處理，在側壁上形成相互絕緣的源電極和漏電極;其次在所述源電極和/或所述漏電極上附著催化劑顆粒，在凹槽結構的側壁上的源電極和/或漏電極上生長納米線，納米線與源電極和漏電極連接。
[0014]其中，納米線器件還包括設置在凹槽結構底部的柵電極，所述柵電極與所述源電極和所述漏電極絕緣。
[0015]其中，納米線的生長方法是化學氣相沉積法、分子束外延法、電化學生長法、靜電紡絲法或者水熱合成法中的一種或者任幾種。在絕緣襯底上鍍導電薄膜的方法是采用蒸發、濺射、涂覆或電鍍中的一種或任幾種。
[0016]本發明的實施包括以下技術效果:
[0017]本發明提供的納米線器件的制備方法，在納米線生長過程中即可完成納米線器件的制備，省略了傳統的納米線剝離、轉移和排列等步驟，消除了納米線表面的污染和損傷，并改善了金屬電極與納米線之間的電接觸特性。
[0018]本發明中，凹槽結構的側壁上設置的導電薄膜，既是納米線生長的基底，又是納米線器件的電極。由于導電薄膜(如金屬薄膜)中的電子密度很高，無論納米線是η型還是P型，導電薄膜與納米線之間都可以形成良好的電接觸。另外，與傳統的納米線表面鍍電極的方法相比，本發明中納米線與導電薄膜的結合，是在納米線的生長階段中形成的化學鍵結合，具有更少的工藝步驟和外界污染;與利用多根納米線之間的接觸導電方式(利用兩根靠在一起的納米線進行導電)相比，本發明中凹槽兩側的電極之間是通過整根的納米線相連，具有更牢的結合力、以及更好的導電性。
[0019]本發明的納米線器件的制備方法，由于導電薄膜是附著在絕緣襯底上，易于分割成相互絕緣的不同電極(圖3)。與其他制備方案[ZL 201110144804.5； Nanotechno logy, 15(2004)L5-L8]相比，本發明的方案，無需在半導體材料上制備相互絕緣的臺階(或凹槽)，也無需對半導體臺階(或凹槽)分別進行P型或η型摻雜，納米線器件結構設計更為靈活;并且，在電流路徑中消除了臺階(或凹槽)這個中間環節，從而改善了導電特性。
【附圖說明】
[0020]附圖，其被結合入并成為本說明書的一部分，示范了本發明的實施例，并與前述的綜述和下面的詳細描述一起解釋本發明的原理。
[0021]圖1為本發明實施例的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法的設置有凹槽結構的絕緣襯底結構示意圖。
[0022]圖2為本發明實施例的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法的在絕緣襯底表面鍍有導電薄膜的示意圖。
[0023]圖3為本發明實施例的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法的經光刻或者腐蝕工藝將導電薄膜分隔開為相互絕緣的源電極、漏電極和柵電極的結構示意圖。
[0024]圖4為本發明實施例的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法的在凹槽結構的側壁上附著催化劑顆粒的示意圖。
[0025]圖5為本發明實施例的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法的在凹槽結構的側壁生長納米線，形成完整的納米線器件的示意圖。
[0026]1、絕緣襯底;2、側壁;3、導電薄膜;4、源電極;5、柵電極;6、催化劑顆粒;7、納米線；
8、漏電極。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合實施例以及附圖對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0028]參見圖1至圖5所示，本實施例的一種基于橋接生長的納米線器件，包括設置有凹槽結構的絕緣襯底1、導電薄膜3和納米線7，導電薄膜設置在凹槽結構的兩個側壁上，一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的源電極4，另一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的漏電極8，源電極4與漏電極8通過納米線7連接。優選地，所述凹槽結構的底部設置有導電薄膜，凹槽結構底部的導電薄膜作為納米線器件的柵電極5。源電極4、漏電極8和柵電極5之間相互絕緣。納米線7是一次性生長得到的整根納米線7，納米線7具有軸向或徑向的異質結構。本實施例中納米線與導電薄膜的結合，是在納米線的生長階段中形成的化學鍵結合，具有更少的工藝步驟和外界污染;與利用多根納米線之間的接觸導電方式(利用兩根靠在一起的納米線進行導電)相比，本發明中凹槽兩側的電極之間是通過整根的納米線相連，具有更牢的結合力、以及更好的導電性。
[0029]優選地，納米線7的一端或者兩端與側壁2的連接處設置有催化劑顆粒6;催化劑顆粒6是金、鎳、鐵、金鎳合金、鎵、銦或者氮化鎵中的一種或者任幾種。導電薄膜3的材質是氧化物、氮化物、金屬、碳、合金或者有機物中的一種或者任幾種。絕緣襯底I的材質是玻璃、石英、藍寶石或者有機物中的一種或者任幾種。
[0030]參見圖1至圖5所示，本實施例旨在解決納米線器件的制備問題，還提出了一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法，在設置有凹槽結構的絕緣襯底I上鍍導電薄膜3，并將導電薄膜3分開作為電極;然后在側壁2上生長納米線7，納米線7與凹槽的兩個側壁2上的導電薄膜3相連，實現電極制備;具有工藝簡單、電接觸良好的特點。本實施例可以按以下方式實現:
[0031]首先，在絕緣襯底I表面刻蝕出凹槽結構(圖1所示)，凹槽形狀可以是矩形或梯形。該絕緣襯底I優選自玻璃、石英、藍寶石、以及有機物等材質。
[0032]然后，在襯底表面鍍導電薄膜3，該導電薄膜3覆蓋全部(或部分)的襯底表面、凹槽的側壁2、以及凹槽的底部(圖2)。并利用光刻或腐蝕等工藝，將凹槽兩側的導電薄膜3分割開，從而實現兩個側壁2上的導電薄膜3之間的電絕緣(圖3)。凹槽的側壁2上已被分隔開的導電薄膜3分別作為納米線器件的源電極4和漏電極8;凹槽底部的導電薄膜可作為柵電極5，用于調節納米線7的電子和空穴密度。本實施例中，在襯底表面鍍導電薄膜3的方法是采用蒸發、濺射、涂覆或電鍍等鍍膜工藝。
[0033]接著，在凹槽的側壁2上的導電薄膜3上附著催化劑顆粒6，用于引導納米線7生長(圖4所示)。該催化劑顆粒6優選自金、鎳、鐵、金鎳合金、鎵、銦、以及氮化鎵等材質。催化劑顆粒6可以附著在側壁2的任意一側或兩側。
[0034]最后，在凹槽的側壁2上生長納米線7，隨著納米線7的生長，納米線7的頂端與另一側壁2的導電薄膜3相遇并結合到一起(圖5所示)，這種結合力是化學鍵之間的力。其中，納米線7的生長方法優選自化學氣相沉積法、分子束外延法、電化學生長法、靜電紡絲法或以及水熱合成法等方法。該納米線7可以具有軸向或徑向的異質結構。本實施例的導電薄膜3，優選自氧化物(如氧化銦錫)、氮化物(如氮化鈦)、金屬(如鐵、鎳、鈦、金、鉑)、碳(如石墨烯)、合金或有機物等材質。
[0035]本發明的納米線器件的制備方法，在納米線7生長過程中即可完成納米線器件的制備，省略了傳統的納米線7剝離、轉移和排列等步驟，消除了納米線7表面的污染和損傷，并改善了金屬電極與納米線7之間的電接觸特性。
[0036]本實施例中凹槽結構的側壁2上設置的導電薄膜3，既是納米線7生長的基底，又是納米線器件的電極。由于導電薄膜3 (如金屬薄膜)中的電子密度很高，無論納米線7是η型還是P型，導電薄膜3與納米線7之間都可以形成良好的電接觸。另外，與傳統的納米線7表面鍍電極的方法相比，本實施例中納米線7與導電薄膜3的結合，是在納米線7的生長階段中形成的化學鍵結合，具有更少的工藝步驟和外界污染;與利用多根納米線7之間的接觸導電方式(利用兩根靠在一起的納米線7進行導電)相比，本實施例中凹槽兩側的電極之間是通過整根的納米線7相連，具有更牢的結合力、以及更好的導電性。
[0037]本實施例的納米線器件的制備方法，由于導電薄膜3是附著在絕緣襯底I上，易于分割成相互絕緣的不同電極(圖3)。與其他制備方案[ZL 20 1 1 10 144804.5；Nanotechnology，15(2004)L5-L8]相比，本實施例的方案，無需在半導體材料上制備相互絕緣的臺階(或凹槽)，也無需對半導體臺階(或凹槽)分別進行P型或η型摻雜，器件結構設計更為靈活;并且，在電流路徑中消除了臺階(或凹槽)這個中間環節，從而改善了導電特性。
[0038]下述以兩個實施例作為具體的示例:
[0039]實施例1
[0040]首先，在石英玻璃襯底表面，利用刻蝕工藝制備凹槽結構(如圖1)。
[0041]其次，在襯底表面鍍鈦導電薄膜3(如圖2)，鈦導電薄膜具有良好的導電性。
[0042]然后，利用刻蝕工藝，將導電薄膜3分割開，使得側壁2的源電極4和漏電極8之間相互絕緣，源電極4和漏電極8與底部的柵電極5之間也相互絕緣(圖3)。
[0043]接著，在凹槽側壁一側的源電極4或者漏電極8上鍍金薄膜，金薄膜退火后形成的金顆粒附著在側壁2的源電極4或者漏電極8上(圖4)。金顆粒作為催化劑引導納米線7的生長。
[0044]最后，利用化學氣相沉積，在凹槽任一側壁的鈦薄膜上生長氮化鎵納米線7。隨著納米線7的生長，納米線7與另一側壁的鈦薄膜結合(圖5)。此時，納米線7與凹槽側壁上的導電薄膜3直接結合，從而形成牢固、良好的電接觸。
[0045]實施例2
[0046]首先，在藍寶石襯底表面，利用刻蝕工藝制備凹槽結構(如圖1)。
[0047]其次，在襯底表面鍍氮化鈦導電薄膜3(如圖2)。
[0048]然后，利用刻蝕工藝，將導電薄膜3分割開，使得側壁2的源電極4或者漏電極8之間相互絕緣，源電極4和漏電極8與底部柵電極5之間也相互絕緣(圖3)。
[0049]接著，在凹槽任一側的源電極4或漏電極8上鍍鎳金薄膜，退火后形成鎳金顆粒附著在源電極4或漏電極8上(圖4)。該顆粒作為催化劑引導納米線7的生長。
[0050]最后，利用分子束外延，在側壁2的氮化鈦薄膜上生長硅納米線7。隨著納米線7的生長，納米線7與另一側壁2的氮化鈦薄膜結合(圖5)，從而形成牢固、良好的電接觸。
[0051]最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。
【主權項】
1.一種基于橋接生長的納米線器件，包括設置有凹槽結構的絕緣襯底、導電薄膜和納米線，其特征在于:所述導電薄膜設置在所述凹槽結構的兩個側壁上，一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的源電極，另一個側壁上的導電薄膜作為納米線器件的漏電極，所述源電極與所述漏電極通過納米線連接。2.根據權利要求1所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述凹槽結構的底部設置有導電薄膜，凹槽結構底部的導電薄膜作為納米線器件的柵電極。3.根據權利要求2所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述源電極、所述漏電極和所述柵電極三者之間相互絕緣。4.根據權利要求1所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述納米線的一端或者兩端與側壁的連接處設置有催化劑顆粒;所述催化劑顆粒是金、鎳、鐵、金鎳合金、鎵、銦或者氮化鎵中的一種或者任幾種。5.根據權利要求1所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述導電薄膜的材質是氧化物、氮化物、金屬、碳、合金或者有機物中的一種或者任幾種。6.根據權利要求1所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述絕緣襯底的材質是玻璃、石英、藍寶石或者有機物中的一種或者任幾種。7.根據權利要求1?6任一所述的一種基于橋接生長的納米線器件，其特征在于:所述納米線是一次性生長得到的整根納米線，所述納米線具有軸向或徑向的異質結構。8.—種基于橋接生長的納米線器件的制備方法，其特征在于:首先，在設置有凹槽結構的絕緣襯底上鍍導電薄膜;然后利用光刻或者腐蝕工藝對所述導電薄膜進行處理，在側壁上形成相互絕緣的源電極和漏電極;其次，在所述源電極和/或所述漏電極上附著催化劑顆粒，在凹槽結構側壁上的所述源電極和/或所述漏電極上生長納米線，所述納米線與所述源電極和所述漏電極連接。9.根據權利要求8所述的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法，其特征在于:所述納米線器件還包括設置在凹槽結構底部的柵電極，所述柵電極與所述源電極和所述漏電極絕緣。10.根據權利要求8所述的一種基于橋接生長的納米線器件的制備方法，其特征在于:所述納米線的生長方法是化學氣相沉積法、分子束外延法、電化學生長法、靜電紡絲法或者水熱合成法中的一種或者任幾種;在所述絕緣襯底上鍍導電薄膜的方法是采用蒸發、濺射、涂覆或電鍍中的一種或任幾種。
【文檔編號】H01L21/336GK105845714SQ201610213762
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】黃輝, 渠波
【申請人】黃輝, 渠波