[发明专利]纳米流体二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳流器件与工艺技术领域，尤其涉及一种基于半导体纳米孔道的纳米流体二极管及其制造方法。

背景技术

水和离子组成的流体进入纳米管道后，整个体系被称为微纳流系统，其中有一些非常有趣的限域现象：当纳米管道尺寸小于德拜长度(Debye screening length)时，由于尺寸效应，表面带负电的纳米管道基本被正离子占据，产生单一极性(unipolar)类似半导体材料中的p型掺杂；表面带正电的纳米管道中则几乎为负离子占据，类似半导体材料中的n型掺杂。若通过外场改变管道内壁电荷分布就可以改变进入管内离子的类型或者流量大小，这样便具备了类似场效应管的特点；若把表面具有不同电性的纳米管道接联起来，管道一半被负电荷占据，另一半被正电荷占据，就可以形成类似半导体器件的二极管，具有整流效应，可以应用于微流控集成电路中，还可以广泛用于纳米流体电池(nanofluidic battery)，分子级的化学分析、分离，传感器及纯水净化当中。 

目前采用氧化硅、氧化铝等氧化物纳米管道应用于微纳流二极管中，其中利用氧化物表面具有零电荷点(point of zero charge)的特点，通过溶液PH值控制氧化物表面带有正电荷或者负电荷。但是生长不同氧化物管道的PN结工艺复杂，具有很大挑战。III族氮化物异质结构界面中存在二维电子气，可以使得表面带有净的正电荷，并且不依赖于溶液pH值，可以吸附溶液中的负离子，形成二极管中的N极。III族氮化物异质结构界面二维电子气可以介导表面电荷受到门控电压的精确调控，氮化物热力学、化学稳定性强。这些性质是利用其形成纳米流体二极管的物理基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备工艺简单、容易形成PN接触的纳米流体二极管及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种纳米流体二极管，包括支撑衬底、氧化物掩膜层以及纳米孔道；所述氧化物掩膜层覆盖于支撑衬底表面；在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向，所述纳米孔道贯穿所述支撑衬底；所述纳米孔道表面具有一覆盖层，所述覆盖层与支撑衬底由不同的材料构成，利用支撑衬底与覆盖层异质结构界面中二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层表面具有正电荷聚集；所述氧化物掩膜层具有一通孔，所述通孔贯穿所述氧化物掩膜层并与纳米孔道相通，所述氧化物掩膜层的通孔表面具有负电荷聚集。

进一步，所述支撑衬底的材料选自于III-V族化合物半导体。

进一步，所述覆盖层的材料选自于III-V族化合物半导体合金。

进一步，所述支撑衬底的材料为GaN，所述覆盖层的材料为AlGaN或InGaN。

进一步，所述氧化物掩膜层的材料为氧化硅。

一种上述纳米流体二极管的制造方法，包括如下步骤：

（1）提供一支撑衬底；

（2）在支撑衬底表面沉积氧化物掩膜层；

（3）形成一贯穿氧化物掩膜层及部分支撑衬底的窗口；

（4）在窗口中生长一基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐，所述基质与支撑衬底形成异质结构，所述基质在后续步骤中用于形成覆盖层；

（5）在所述基质的表面沉积氧化物掩膜，直至与步骤（2）中的氧化物掩膜层的表面平齐，两次形成的氧化物掩膜层共同形成覆盖支撑衬底的氧化物掩膜层；

（6）去除部分支撑衬底，使得支撑衬底的表面与基质的表面平齐，所述支撑衬底表面与基质的表面均指与氧化物掩膜接触面相对的一面；

（7）在沿垂直支撑衬底与氧化物掩膜层接触面的方向形成纳米孔道及通孔，所述纳米孔道贯穿支撑衬底，所述通孔贯穿氧化物掩膜，所述基质在纳米孔道表面形成覆盖层，所述通孔与纳米孔道相通。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用分子束外延生长的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用金属有机化合物化学气相沉淀的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。

进一步，所述步骤（4）包括步骤：利用氢化物气相外延的方法在窗口中生长基质，直至所述基质表面与支撑衬底表面平齐。