專利名稱：納米流體二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納流器件與工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半導(dǎo)體納米孔道的納米流體二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
水和離子組成的流體進(jìn)入納米管道后，整個體系被稱為微納流系統(tǒng)，其中有一些非常有趣的限域現(xiàn)象當(dāng)納米管道尺寸小于德拜長度(Debye screening length)時，由于尺寸效應(yīng)，表面帶負(fù)電的納米管道基本被正離子占據(jù)，產(chǎn)生單一極性(unipolar)類似半導(dǎo)體材料中的P型摻雜；表面帶正電的納米管道中則幾乎為負(fù)離子占據(jù)，類似半導(dǎo)體材料中的η型摻雜。若通過外場改變管道內(nèi)壁電荷分布就可以改變進(jìn)入管內(nèi)離子的類型或者流量大小，這樣便具備了類似場效應(yīng)管的特點；若把表面具有不同電性的納米管道接聯(lián)起來， 管道一半被負(fù)電荷占據(jù)，另一半被正電荷占據(jù)，就可以形成類似半導(dǎo)體器件的二極管，具有整流效應(yīng)，可以應(yīng)用于微流控集成電路中，還可以廣泛用于納米流體電池(nanof Iuidic battery),分子級的化學(xué)分析、分離,傳感器及純水凈化當(dāng)中。
目前采用氧化硅、氧化鋁等氧化物納米管道應(yīng)用于微納流二極管中，其中利用氧化物表面具有零電荷點(point of zero charge)的特點,通過溶液PH值控制氧化物表面帶有正電荷或者負(fù)電荷。但是生長不同氧化物管道的PN結(jié)工藝復(fù)雜，具有很大挑戰(zhàn)。III 族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中存在二維電子氣，可以使得表面帶有凈的正電荷，并且不依賴于溶液PH值，可以吸附溶液中的負(fù)離子，形成二極管中的N極。III族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面二維電子氣可以介導(dǎo)表面電荷受到門控電壓的精確調(diào)控，氮化物熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性強。這些性質(zhì)是利用其形成納米流體二極管的物理基礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種制備工藝簡單、容易形成PN接觸的納米流體二極管及其制備方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種納米流體二極管，包括支撐襯底、氧化物掩膜層以及納米孔道；所述氧化物掩膜層覆蓋于支撐襯底表面；在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向，所述納米孔道貫穿所述支撐襯底；所述納米孔道表面具有一覆蓋層， 所述覆蓋層與支撐襯底由不同的材料構(gòu)成，利用支撐襯底與覆蓋層異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中二維電子氣形成的電荷分布，在覆蓋層表面具有正電荷聚集；所述氧化物掩膜層具有一通孔，所述通孔貫穿所述氧化物掩膜層并與納米孔道相通，所述氧化物掩膜層的通孔表面具有負(fù)電荷聚集。
進(jìn)一步，所述支撐襯底的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體。
進(jìn)一步，所述覆蓋層的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體合金。
進(jìn)一步，所述支撐襯底的材料為GaN，所述覆蓋層的材料為AlGaN或InGaN。
進(jìn)一步，所述氧化物掩膜層的材料為氧化硅。3
一種上述納米流體二極管的制造方法，包括如下步驟(1)提供一支撐襯底；(2)在支撐襯底表面沉積氧化物掩膜層；(3)形成一貫穿氧化物掩膜層及部分支撐襯底的窗口；(4)在窗口中生長一基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊，所述基質(zhì)與支撐襯底形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述基質(zhì)在后續(xù)步驟中用于形成覆蓋層；(5)在所述基質(zhì)的表面沉積氧化物掩膜，直至與步驟(2)中的氧化物掩膜層的表面平齊，兩次形成的氧化物掩膜層共同形成覆蓋支撐襯底的氧化物掩膜層；(6)去除部分支撐襯底，使得支撐襯底的表面與基質(zhì)的表面平齊，所述支撐襯底表面與基質(zhì)的表面均指與氧化物掩膜接觸面相對的一面；(7)在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向形成納米孔道及通孔，所述納米孔道貫穿支撐襯底，所述通孔貫穿氧化物掩膜，所述基質(zhì)在納米孔道表面形成覆蓋層，所述通孔與納米孔道相通。
進(jìn)一步，所述步驟(4)包括步驟利用分子束外延生長的方法在窗口中生長基質(zhì)， 直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
進(jìn)一步，所述步驟(4)包括步驟利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀的方法在窗口中生長基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
進(jìn)一步，所述步驟(4)包括步驟利用氫化物氣相外延的方法在窗口中生長基質(zhì)， 直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，支撐襯底與覆蓋層形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中存在的二維電子氣形成的電荷分布，使得納米孔道表面帶正電荷，吸引溶液中電性相反的負(fù)電荷的聚集，形成類似PN結(jié)中的N極，該表面電荷正負(fù)性的調(diào)控不依賴溶液pH值。利用氧化物表面具有零電荷點(point of zero charge)的特點,通過溶液PH值控制氧化物表面帶有負(fù)電荷,吸引溶液中電性相反的正電荷的聚集，形成類似PN結(jié)中的P極。本發(fā)明可以較簡便的在襯底上方覆蓋氧化物掩膜層，較易形成PN接觸且制備工藝簡單。本發(fā)明對于實現(xiàn)各種高性能的基于納米流體二極管的新型納米器件具有重要作用。


圖I所示為本發(fā)明納米流體二極管的截面示意圖；圖2A 圖2G所示為本發(fā)明納米流體二極管制備方法工藝圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的納米流體二極管及其制造方法的具體實施方式
做詳細(xì)說明。
圖I所示為本發(fā)明納米流體二極管的截面示意圖。參見圖1，納米流體二極管包括支撐襯底I、氧化物掩膜層2及納米孔道3。所述氧化物掩膜層2覆蓋于所述支撐襯底I 的表面。在沿垂直于氧化物掩膜層2與支撐襯底I的接觸面的方向，所述納米孔道3貫穿所述支撐襯底I，所述納米孔道3允許離子通過。所述氧化物掩膜2具有一通孔4，在沿垂直于氧化物掩膜層2與支撐襯底I的接觸面的方向，所述通孔4貫穿所述氧化物掩膜層2。4所述通孔4與所述納米孔道3相通。
在納米孔道3的表面具有一覆蓋層5，所述支撐襯底I與覆蓋層5形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)， 在支撐襯底I與覆蓋層5的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中存在二維電子氣，利用所述二維電子氣形成的電荷分布，在覆蓋層5表面具有正電荷聚集,從而可以吸引溶液中具有相反電性的負(fù)電荷聚集，形成類似PN結(jié)中的N極，該表面電荷正負(fù)性的調(diào)控不依賴溶液pH值。
氧化物掩膜層2的表面具有零電荷點(point of zero charge)的特點,通過溶液 pH值控制氧化物掩膜層2表面形成電荷分布，當(dāng)溶液PH值大于零電荷點，氧化物掩膜表面具有負(fù)電荷；反之具有正電荷，該調(diào)控取決于氧化物掩膜表面-OH基團(tuán)的電離程度，在本發(fā)明中，控制溶液PH值大于零電荷點，從而使得通孔4的表面具有負(fù)電荷，吸引溶液中具有相反電性的正電荷的聚集，形成類似PN結(jié)中的P極。
所述支撐襯底I的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體；所述覆蓋層5的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體合金。在本實施方式中，所述支撐襯底I的材料為GaN，所述覆蓋層5的材料為AlGaN，氧化物掩膜層2材料為氧化硅。在本發(fā)明的其他實施方式中，覆蓋層 5的材料也可以為InGaN。
下面提供本發(fā)明所述方法的第一具體實施方式
，包括如下步驟步驟S20，提供一支撐襯底，所述支撐襯底由晶體材 料構(gòu)成；步驟S21，在支撐襯底的表面沉積氧化物掩膜層；步驟S22，形成一貫穿氧化物掩膜層及部分支撐襯底的窗口 ；步驟S23，在窗口中生長一基質(zhì)，直至所述基質(zhì)上表面與支撐襯底上表面平齊，所述基質(zhì)在后續(xù)步驟中用于形成納米孔道的覆蓋層；步驟S24，在基質(zhì)上表面沉積氧化物掩膜層，直至與步驟S21中的氧化物掩膜層的表面平齊，兩次形成的氧化物掩膜層共同形成覆蓋支撐襯底表面的氧化物掩膜層； 步驟S25，去除部分支撐襯底，使得支撐襯底的表面與基質(zhì)的表面平齊，所述支撐襯底表面與基質(zhì)的表面均指與氧化物掩膜層接觸面相對的一面；步驟S26，在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向形成納米孔道及通孔，所述納米孔道貫穿支撐襯底，所述通孔貫穿氧化物掩膜層，所述基質(zhì)在納米孔道表面形成覆蓋層，所述通孔與納米孔道相通。
步驟S20中，所述支撐襯底的材料是III-V族化合物半導(dǎo)體，比如可以為GaN。
步驟S21中，沉積方法可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法，此處不再詳細(xì)敘述， 所述的氧化物掩膜層可以為氧化硅材料。
步驟S22中，可以采用光刻和刻蝕的技術(shù)形成所述窗口，關(guān)于光刻和刻蝕技術(shù)的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。
步驟S23中，所述覆蓋層的材料是III-V族化合物半導(dǎo)體合金，關(guān)于外延生長多元 III-V族化合物半導(dǎo)體合金的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。
步驟S24中，在覆蓋層表面沉積的氧化物掩膜層與步驟S21中在支撐襯底的表面沉積的氧化物掩膜層為相同物質(zhì)。
步驟S25中，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法去除部分支撐襯底，在此不再詳細(xì)敘述。
步驟S26中，可以利用聚焦離子束技術(shù)(FIB)形成納米孔道及通孔，關(guān)于聚焦離子束(FIB)技術(shù)的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。
下面以GaN晶體作為支撐襯底，AlGaN作為覆蓋層，氧化硅作為氧化物掩膜層為例給出實施例一。
步驟一，參考附圖2A，提供一支撐襯底即GaN晶體120 ；步驟二，參考附圖2B，在支撐襯底GaN晶體120的表面沉積氧化硅掩膜層110。
步驟三，參考附圖2C，利用光刻和刻蝕技術(shù)形成一貫穿氧化硅掩膜層110及部分支撐襯底GaN晶體120的窗口。
步驟四，參考附圖2D，在窗口上外延生長一基質(zhì)即AlGaN合金130，直至所述基質(zhì) AlGaN合金130上表面與支撐襯底GaN晶體120上表面平齊，所述基質(zhì)在后續(xù)步驟中用于形成復(fù)蓋層。
在本實施例中，采用分子束外延生長(MBE)的方法生長基質(zhì)AlGaN合金130，該方法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。
步驟五，參考附圖2E，在基質(zhì)AlGaN合金130的上表面沉積氧化物掩膜層110，直至與步驟二中的氧化硅薄膜110的表面平齊，兩次形成的氧化物掩膜層共同形成覆蓋支撐襯底GaN晶體120表面及基質(zhì)即AlGaN合金130表面的氧化硅薄膜覆蓋層110。
步驟六，參考附圖2F，去除部分支撐襯底GaN晶體120，使得支撐襯底GaN晶體120 的表面與基質(zhì)AlGaN合金 130的表面平齊，暴露出基質(zhì)AlGaN合金130的表面，此處所述的支撐襯底GaN晶體120的表面與基質(zhì)AlGaN合金130的表面均指與氧化物掩膜層接觸面相對的一面。
步驟七，參考附圖2G，利用聚焦離子束(FIB)技術(shù)在沿垂直AlGaN合金130與氧化硅薄膜覆蓋層110接觸面的方向形成納米孔道140及通孔150，所述納米孔道140貫穿支撐襯底120，所述通孔150貫穿氧化物掩膜層110，所述基質(zhì)在納米孔道表面形成覆蓋層130， 所述通孔150與納米孔道140相通。
以GaN晶體作為支撐襯底，AlGaN作為覆蓋層，氧化硅作為氧化物掩膜層為例給出實施例二。在本實施例中，步驟四采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)的方法生長覆蓋層即AlGaN合金130，該方法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述，其它步驟與實施例一相同。
以GaN晶體作為支撐襯底，AlGaN作為覆蓋層，氧化硅作為氧化物掩膜層為例給出實施例三。在本實施例中，步驟四采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)的方法生長覆蓋層即AlGaN合金130，該方法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述，其它步驟與實施例一相同。
以GaN晶體作為支撐襯底，AlGaN作為覆蓋層，氧化硅作為氧化物掩膜層為例給出實施例四。在本實施例中，步驟四采用氫化物氣相外延(HVPE)的方法生長覆蓋層即AlGaN 合金130，該方法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述，其它步驟與實施例一相同。
在本發(fā)明的其它實施例中，也可以采用InGaN合金作為覆蓋層。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種納米流體二極管，包括支撐襯底、氧化物掩膜層以及納米孔道；所述氧化物掩膜層覆蓋于支撐襯底表面；在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向，所述納米孔道貫穿所述支撐襯底；其特征在于，所述納米孔道表面具有一覆蓋層，所述覆蓋層與支撐襯底由不同的材料構(gòu)成，利用支撐襯底與覆蓋層異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中二維電子氣形成的電荷分布，在覆蓋層表面具有正電荷聚集；所述氧化物掩膜層具有一通孔，所述通孔貫穿所述氧化物掩膜層并與納米孔道相通，所述氧化物掩膜層的通孔表面具有負(fù)電荷聚集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米流體二極管，其特征在于，所述支撐襯底的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米流體二極管，其特征在于，所述覆蓋層的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米流體二極管，其特征在于，所述支撐襯底的材料為GaN，所述覆蓋層的材料為AlGaN或InGaN。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米流體二極管，其特征在于，所述氧化物掩膜層的材料為氧化硅。
6.一種如權(quán)利要求I所述的納米流體二極管的制造方法，其特征在于，包括如下步驟(I)提供一支撐襯底；(2)在支撐襯底表面沉積氧化物掩膜層；(3)形成一貫穿氧化物掩膜層及部分支撐襯底的窗口 ；(4)在窗口中生長一基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊，所述基質(zhì)與支撐襯底形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述基質(zhì)在后續(xù)步驟中用于形成覆蓋層；(5)在所述基質(zhì)的表面沉積氧化物掩膜，直至與步驟(2)中的氧化物掩膜層的表面平齊，兩次形成的氧化物掩膜層共同形成覆蓋支撐襯底的氧化物掩膜層；(6)去除部分支撐襯底，使得支撐襯底的表面與基質(zhì)的表面平齊，所述支撐襯底表面與基質(zhì)的表面均指與氧化物掩膜層接觸面相對的一面；(7)在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向形成納米孔道及通孔，所述納米孔道貫穿支撐襯底，所述通孔貫穿氧化物掩膜層，所述基質(zhì)在納米孔道表面形成覆蓋層，所述通孔與納米孔道相通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米流體二極管的制造方法，其特征在于，所述步驟(4)進(jìn)一步包括步驟利用分子束外延生長的方法在窗口中生長基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米流體二極管的制造方法，其特征在于，所述步驟(4)進(jìn)一步包括步驟利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀的方法在窗口中生長基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米流體二極管的制造方法，其特征在于，所述步驟(4)進(jìn)一步包括步驟利用氫化物氣相外延的方法在窗口中生長基質(zhì)，直至所述基質(zhì)表面與支撐襯底表面平齊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種納米流體二極管，包括支撐襯底、氧化物掩膜層以及納米孔道；所述氧化物掩膜層覆蓋于支撐襯底表面；在沿垂直支撐襯底與氧化物掩膜層接觸面的方向，所述納米孔道貫穿所述支撐襯底；所述納米孔道表面具有一覆蓋層，所述覆蓋層與支撐襯底由不同的材料構(gòu)成，利用支撐襯底與覆蓋層異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中二維電子氣形成的電荷分布，在覆蓋層表面具有正電荷聚集；所述氧化物掩膜層具有一通孔，所述通孔貫穿所述氧化物掩膜層并與納米孔道相通，所述氧化物掩膜層的通孔表面具有負(fù)電荷聚集。本發(fā)明納米流體二極管及其制造方法制備工藝簡單、易形成PN接觸。
文檔編號B81C1/00GK102923635SQ201210415048
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者弓曉晶, 劉磊, 邱永鑫, 王子武, 張錦平, 王建峰, 徐科 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所