[发明专利]一种基于纳米线交叉互联的纳米线器件制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米线器件的制备方法，可用于纳米线微电子和光电子器件。 

背景技术

纳米科学技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，半导体纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是未来纳电子和纳光子器件的基本结构[Mater.Today，9(2006)18-27]。近年来，半导体纳米线的研究工作受到了极大关注，其应用领域包括集成电路[Nature，470(2011)240-244]、晶体管[Nano Letters，8(2008)925-930]、激光器[Science，292(2001)1897-1899]、单光子器件[Nature Nanotechnology，5(2010)195-199]、LED[Nano Letters，6(2006)1719-1722，]、以及太阳能电池[Nano Lett.，10(2010)1082-1087]等。 

尽管半导体纳米线具有很重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化还亟需解决一系列问题，其中的关键问题是如何针对极其纤细(直径细至几个纳米)的纳米线进行操控、组装和加工。 

目前纳米线器件的制备通常需要先将纳米线转移并平放到另一衬底上(通常是杂乱堆放)，然后用电子束光刻工艺逐一寻找合适的纳米线进行光刻加工[Nano Letters，8(2008)925-930]；这种针对单根纳米线加工的工艺无法实现大规模批量制备，而且电子束光刻的速度很慢、价格昂贵。因此，简化纳米线器件工艺、降低制备难度，是纳米线器件产业化所面临的问题。 

为此，人们发明了一种无需电子束光刻、也无需移动纳米线的原位加工工艺[Nanotechnology，15(2004)L5-L8；Appl.Phys.Lett.，89(2006)133121；Adv.Mater.，17(2005)2098-2102]，即在半导体衬底上刻蚀出垂直凹槽结构(每个凹槽具有两个垂直侧面)，半导体纳米线则从凹槽的一个侧面开始生长并最终接触到对面另一侧面。这样纳米线就相当于一个桥梁将凹槽的两个侧面连接起来，纳米线能在两个侧壁之间导通电流。更为重要的是：纳米线器件的两端电极就可以制备于凹槽两侧的台面上，而无需制备于纤细的纳米线上，也无需移动和操控纳米线。由于凹槽两侧台面的面积很大，制备电极采用普通的光学光刻工艺即可，无需采用精细的电子束光刻工艺；同时纳米线的排列方向有序(平行连接凹槽的两个侧面)，适合规模化批量制备纳米线器件。 

但是，对于轴向结构的纳米线器件(其两端分别连接n型和p型电极)，因此要求凹槽两侧材料也相应的分别是n型和p型掺杂(即不同种类的掺杂)。但是凹槽是在同一半导体上刻蚀形成，因此其掺杂类型通常是相同的；如果需要在凹槽两侧形成不同的掺杂类型，则需要额外的复杂工艺。 

更为重要的是：对于径向结构(即“芯-包层(core-shell)”同轴结构)的纳米线器件(即纳米线的芯是p型掺杂、包层是n型掺杂，或者芯是n型掺杂、包层是p型掺杂)，器件的两个电极必须分别和纳米线的芯及包层连接，因此凹槽结构无法用于连接“芯-包层”结构纳米线的两个电极。 

综上所述，纳米线桥接的凹槽结构，无法用于“芯-包层”结构纳米线器件的电极连接，而且需要额外的工艺来实现凹槽两侧的不同类型掺杂。因此设计研发适用于“芯-包层”结构纳米线器件制备的简单、低成本工艺，是本发明的创研动机。 

发明内容

本发明旨在解决“芯-包层”结构纳米线(以下简称“CS纳米线”)器件的电极制备问题，提出一种“基于纳米线交叉互联的纳米线器件制备方法”，该方法无需采用精细昂贵的电子束光刻工艺、也无需移动和操控纳米线，具有工艺简单、适合规模化制备的特点。 

发明人对半导体纳米线有着深入的研究[Nano Letters，10(2010)64-68]，并曾在试验中观察到纳米线相互交叉连接的现象(如图1所示，纳米线连接处结合良好)，从而启发了本发明的产生。本发明可以按以下方式实现： 

在具有中间绝缘层的半导体衬底上(底部n型区域和顶部p型区域之间是绝缘层，如图2(a)所示)，通过刻蚀形成台面结构，使得台面底部的掺杂类型和侧面的掺杂类型不同(例如台面底部为n型、台面侧壁为p型，图2(a)所示)； 

通过镀金属薄膜后退火、或涂覆金属颗粒溶胶的方式，在台面的底部和侧面附着金属颗粒(如图2(b)所示)，作为催化剂引导纳米线生长(如果纳米线的生长采用自催化的方式，则可以不用金属颗粒，此步骤可以省略)；接着在台面表面覆盖一层掩膜，覆盖住金属颗粒和台面(如图2(b)所示)；