一種硅基iii-v族納米管與微米管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基III-V族納米管與微米管及其制備方法。納米管與微米管是由單晶Si襯底上外延生長的III-V族應變半導體薄膜自卷曲所形成兩端非封閉的圓柱形中空管狀結(jié)構(gòu)，其直徑為1nm-100μm，其長度為1μm-1mm。這種管狀結(jié)構(gòu)在硅基光子學、微電機系統(tǒng)、傳感等領(lǐng)域都有極大的應用價值。本發(fā)明集成了“由下至上”的異變外延生長和“由上而下”的光刻腐蝕技術(shù)。通過側(cè)向腐蝕III-V族犧牲層，使III-V族應變雙層薄膜從Si上釋放并卷曲成管。該方法與III-V族光電子與微電子器件工藝兼容，具有制管工藝簡單、管形貌好、管尺寸可控等優(yōu)點，易在Si上形成大面積、規(guī)則一致的III-V族納米管或微米管陣列。
【專利說明】—種硅基111-V族納米管與微米管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米管與微米管材料及其制備方法，屬于半導體材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在納米科技領(lǐng)域，特別是納米材料領(lǐng)域，納米管與微米管備受國內(nèi)外眾多研究者關(guān)注。究其原因，納米管與微米管不僅具有優(yōu)良、獨特的結(jié)構(gòu)、形貌、機械、力學、熱學、光學、電學特性，還有很多新的物理規(guī)律與效應等待人們發(fā)掘，在材料學、化學、物理電子學、光學、生物醫(yī)學等領(lǐng)域已展現(xiàn)出非常廣闊的應用前景和重要的應用價值。碳納米管與微米管研究最早且最廣泛。碳納米管(Carbon nanotube, CNT)由Iijima等人于1991年首次制備成功[S.1ijima, Nature, 354 (1991) 56] 0常用的碳納米管制備方法有:電弧放電法、輝光放電法、激光燒蝕法、氣體燃燒法、氣相沉積法、固相熱解法、聚合反應合成法等。這些方法工藝復雜、制管成本高、產(chǎn)量低。
[0003]與之對應，半導體納米管與微米管則是另外一種重要形態(tài)，采用與碳納米管完全不同的制備工藝。2000年，Prinz等人利用GaAs襯底上MBE生長的InGaAs/GaAs應變雙層薄膜首次制備出II1-V族自卷曲納米管[V.Y.Prinz et al., “Free standingand overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays，，，PhysicaE, 6 (2000)828-831.] 0接著，Prinz等人又利用同樣辦法，在Si襯底上制備出GeSi/Si 自卷曲納米管[S.V.Golod, V.Y.Prinz, et al., “Fabrication of conductingGeSi/Si mi cro-and nanotubes and helical mi croco i I s，，，Semi cond.Sc i.Technol.，16 (2001) 181]。此后，半導體納米管與微米管研究就如火如荼地快速發(fā)展起來，并取得了諸多令人欣喜的重要進展。半導體納米管和微米管已表現(xiàn)出許多優(yōu)異的光學和電學特性，有望在光電子(如光子晶體、波導、諧振器、激光器、太陽能電池)、微電子(如MEMS、晶體管)、生物醫(yī)學、傳感等方面獲得重要應用。
[0004]最近幾年，受下一代光通信網(wǎng)絡與高性能計算需求的驅(qū)動，硅基光子學(siliconphotonics)特別是硅基光子互連技術(shù)迅猛發(fā)展。盡管采用與Si基CMOS兼容的工藝，已在硅基上集成了調(diào)制器及其驅(qū)動電路、濾波器、探測器以及放大電路等，但制約高速片上
(inter-chip)或片間(intra-chip)光互芯片的核心器件-低功耗、高可靠性的Si基高
性能激光器始終未徹底獲得突破。相關(guān)研究表明:利用Si基半導體納米管或微米管有望在Si襯底上實現(xiàn)高性能納米尺度激光器。因此，Si基半導體納米管和微米管又迅速成為該領(lǐng)域新的前沿研究熱點。目前，主要采用以下兩類技術(shù)手段在Si襯底上制備納米管或微米管:
[0005](I)直接在Si襯底上制備SiGe/Si納米管或微米管[S.V.Golod, V.Y.Prinz, V.1.Mashanov and A.K.Gutakovsky, “Fabrication of conducting GeSi/Si micro-andnanotubes and helical microcoils，，，Semicond.Sc1.Technol.，16 (2001) 181 ;V.Y.Prinz, D.Grutzmacher, A.Beyer, C.David, B.Ketterer, E.Deckardt, “A newtechnique for fabricating three-dimensional micro-and nanostructures ofvarious shapes”，Nanotechnology 12 (2001) 399 ；A.VorobJ ev, P.0.Vaccaro, K.Kubota, T.Aida, T.Tokuda, T.Hayashi, Y.Sakano, J.0hta and M.Nunoshi ta, “SiGe/Si micro tubesfabricated on a silicon-on-1nsulator substrate，，，J.Phys.D:Appl.Phys.，36 (2003)L67 L69]o
[0006]這種方法的成管機理與GaAs襯底上利用InGaAs/GaAs應變雙層薄膜制備自卷曲納米管和微米管一致，區(qū)別僅在于:需要在Si襯底贗形生長(pseudomorphic growth)SiGe/Si應變雙層薄膜，η型摻雜Si (n_Si )充當犧牲層，而Si襯底及SiGe/Si應變雙層薄膜都需要P型重摻雜；或在SOI (silicon-on-1nsulator)襯底上贗形生長Si/SiGe/Si應變?nèi)龑颖∧?，SOI襯底中Si02充當犧牲層。通過選擇性濕法化學腐蝕，橫向腐蝕犧牲層將應變雙層或三層薄膜從Si上釋放，進而通過應力釋放成管。
[0007]前一種方法,需要對S1、SiGe外延層進行P型重摻雜(摻硼)
[0008]以獲得較高的腐蝕選擇比，摻雜會導致光學和電學特性顯著下降；第二種方法，由于SOI襯底所含Si外延層較厚，此外SOI襯底上生長SiGe/Si應變薄膜前還需要生長Si緩沖層，這樣自卷曲應變薄膜厚度過厚，導致管的直徑過大(幾微米到幾百微米)。
[0009]另外，這種方法的最主要缺點是構(gòu)成管壁的是IV族SiGe和Si半導體材料，而SiGe和Si都是間接帶隙材料，發(fā)光效率非常低，無法用于制備Si基發(fā)光器件(特別是激光器)，因此無法滿足Si基光子學應用。
[0010](2)將II1-V族納米管或微米管從II1-V族宿主襯底轉(zhuǎn)移到Si襯底[1.Chunand X.Li, “Controlled assembly and dispersion of strain-1nduced InGaAs/GaAs nanotubes，，，IEEE Trans.Nanotech., 7, 493 (2008) ；X.Li, “Strain inducedsemiconductor nanotubes:From formation process to device applications,，，J.Phys.D, App 1.Phys., vol.41，p.19 3001, 2008 ； Z.Mi , S.Vicknesh，F(xiàn).Li, andP.Bhattacharya, “Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dot Microtube CoherentLight Sources on GaAs and Silicon，，，in Proc.0f SPIE, Silicon PhotonicsIV, vol.7220, pp.(72200s) 1-9 ；S.Vicknesh, F.Li, and Z.Mi, “Optical microcavitieson Si formed by self-assembled InGaAs/GaAs quantum dot microtubes, ”Appl.Phys.Lett., vol.94, p.081101, 2009 ；Zhaobing Tian, Feng Li, Zetian Mi, andD.V.Plant, “Controlled Transfer of Single Rolled-Up InGaAs-GaAs Quantum-DotMicrotube Ring Resonators Using Optical Fiber Abrupt Tapers，，，IEEE Photonic.Tech.Lett.，22(2010)311-313]
[0011]這種轉(zhuǎn)移技術(shù)又具體包括:溶液燒筑(solution casting)、襯底-襯底轉(zhuǎn)移(substrate to substrate-SOS transfer)、利用光纖拉維(fiber taper)轉(zhuǎn)移等。
[0012]Solution casting是將帶有InGaAs/GaAs自卷曲納米管或微米管的GaAs襯底放置于特定溶液(如甲醇)中；管固定在GaAs襯底上，非獨立無支撐結(jié)構(gòu)。先通過超聲將管與GaAs襯底分離并使其均勻分散到溶液中，然后用吸管吸取含有管的溶液并滴在Si襯底上，實現(xiàn)管的轉(zhuǎn)移。
[0013]溶液輔助SOS轉(zhuǎn)移，首先要通過選擇性腐蝕犧牲層(如AlAs )將InGaAs/GaAs應變雙層薄膜完全從GaAs襯底上釋放,形成獨立無支撐的納米管或微米管；接著，將GaAs襯底倒扣在表面存有特定溶液的Si襯底上。當把GaAs襯底移走后，獨立納米管或微米管借助于管內(nèi)或管周圍存在的液體產(chǎn)生的重力留在Si襯底上；最后，把液體烘干，管就靠范德華(van der Waals)力附著在Si襯底上。
[0014]利用光纖拉錐(fiber taper)轉(zhuǎn)移是一種“挑起一放置”(pick-and-place)技術(shù)，屬于微納半導體材料的微操控范疇。首先，利用熔融拉錐技術(shù)制備出細銳、非對稱的光纖拉錐，再將光纖拉錐的針尖插入到一根微管的兩端(針尖的直徑略小于微管直徑)；然后，通過緩慢向上提升光纖拉錐使得微管逐漸與GaAs襯底分離；最后，利用一根或兩根光纖拉錐就將已分離的微管轉(zhuǎn)移并放置在其它襯底(如Si)上，并通過移動光纖拉錐實現(xiàn)微管的精確定位。
[0015]利用上述轉(zhuǎn)移技術(shù)將II1-V族納米管或微米管從宿主襯底上分離，過程都比較復雜，容易對管造成結(jié)構(gòu)缺陷或機械變形。特別是，Solution casting用到的超聲過程很容易造成管斷裂或破碎。另外，solution casting與SOS轉(zhuǎn)移過程是不可控的,無法實現(xiàn)納米管或微米管在Si襯底上的定位。光纖拉錐轉(zhuǎn)移雖然能解決solution casting與SOS轉(zhuǎn)移的絕大部分問題，但是它僅能轉(zhuǎn)移直徑幾微米的獨立無支撐微米管，且操控成本較高。
[0016]綜上所述，以上在Si襯底上制備納米管與微米管的方法都不盡理想，特別是制備的Si基納米管與微米管的光學特性還遠未達到實用化硅基光子學器件的基本要求。鑒于此，探索簡單、低廉、操控性優(yōu)的Si基納米管與微米管的新制備方法，特別是在Si襯底上直接制備高質(zhì)量II1-V族納米管與微米管,是娃基光子學(Silicon photonics)領(lǐng)域目前亟待解決的問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017](一)要解決的技術(shù)問題
[0018]本發(fā)明的目的是提出一種硅基II1-V族納米管與微米管。本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是:如何用比較簡單的工藝、低廉的成本直接在單晶Si襯底上制備出高質(zhì)量(形貌好、尺寸可控)的II1-V族納米管和微米管，特別是在Si襯底上形成大面積、規(guī)則一致的II1-V族納米管或微米管陣列，滿足硅基光子學與硅基光互連器件的制備要求。
[0019](二)技術(shù)方案
[0020]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，具體技術(shù)方案為:
[0021]S1:對單晶Si襯底進行清洗并去除Si表面氧化物層后，在單晶Si襯底上外延生長異變緩沖層；
[0022]S2:在異變緩沖層上生長II1-V族外延層；
[0023]S3:在II1-V族外延層上生長II1-V族犧牲層；
[0024]S4:在II1-V族犧牲層上生長II1-V族應變雙層薄膜；
[0025]S5:通過光刻和腐蝕在II1-V族應變雙層薄膜上形成臺面，同時將底部的II1-V族犧牲層暴露出來；
[0026]其中，步驟S5具體包括:
[0027]S51:清洗外延片和光刻版，并烘干；
[0028]S52:涂膠、勻膠、烘膠、曝光、顯影、圖形檢查；
[0029]S53:腐蝕外延片至犧牲層形成臺面、去膠、圖形檢查、清洗。
[0030]S6:通過選擇性濕法腐蝕對II1-V族犧牲層進行側(cè)向腐蝕，逐漸將II1-V族犧牲層腐蝕掉，使得II1-V族應變雙層薄膜從Si襯底上脫離釋放，最終通過釋放應力而自卷曲成管。
[0031]本發(fā)明中，所述單晶Si襯底的晶面指數(shù)包括但不限于(100)、(110)、(111)。所述Si襯底可以是無偏角的，也可以是有偏角的；可以是η型摻雜、P型摻雜或半絕緣的。
[0032]本發(fā)明中，步驟S1-S4可以使用化學氣相沉積(CVD)、液相外延(LPE)、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(ΜΒΕ)、原子層沉積(ALD)、金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)、金屬有機氣相外延(MOVPE)方法中的一種或多種。
[0033]本發(fā)明中，可使用Ge、GaP、AlP、GaAs、AlAs、InP/GaAs異變緩沖層，也可以使用固定組分的AlGaP、BGaP、AlGaAs以及漸變InxGa1IPjaAsxP1^GexSih等異變緩沖層，還可以將上述異變緩沖層組合起來使用。異變緩沖層材料的選擇要與后續(xù)生長的II1-V族外延層材料相對應。
[0034]本發(fā)明中，生長的111;族外延層包括但不限于6&?、6&么8、11^。II1-V族外延層中可以插入應變層超晶格(SLS)結(jié)構(gòu)阻擋穿透位錯向上傳播，還可以對II1-V族外延層進行原位的熱循環(huán)退火(TCA)降低穿透位錯密度。
[0035]本發(fā)明中，生長的111;族犧牲層包括但不限于41?、41么8、416&48、11^。犧牲層材料的選擇要與II1-V族應變雙層薄膜所含材料相對應，保證側(cè)向腐蝕時有足夠高的腐蝕選擇比。
[0036]本發(fā)明中，生長 的II1-V族應變雙層薄膜由兩種不同II1-V族半導體材料構(gòu)成(SP兩種II1-V族半導體材料的組成元素不同或兩種II1-V族半導體材料組成元素相同但組分不同)，其底層II1-V族半導體材料與頂層II1-V族半導體材料間存在晶格失配。所述雙層薄膜的材料優(yōu)選 InAs/GaAs、InAs/BGaAs、InGaAs/GaAs、InGaAs/BGaAs、InGaP/GaAs、InGaP/BGaAs, GaAsSb/GaAs、GaAsSb/BGaAs, InGaP/GaP、InGaP/BGaP、GaAsP/GaP、GaAsP/BGaP、In^Ga^^As/In^Gai^As^ In^Ga^^P/In^Gai^P^ In^Ga^^ASyiP^yi/In^Gai^As^P!^^ InGaAs/InGaAsP、InAsP/InGaAsP。
[0037]本發(fā)明中，所述雙層薄膜中還可以插入II1-V族量子阱(QW)、納米線(NW)和量子點(QD)中的一種或多種。這些II1-V族低維納異質(zhì)結(jié)構(gòu)是外延生長雙層薄膜中的。
[0038]本發(fā)明中，所述管狀結(jié)構(gòu)的管壁由兩種不同II1-V族應變雙層薄膜構(gòu)成，薄膜的厚度為l_200nm ;所述應變雙層薄膜包括底層和頂層；其中底層的厚度為l_50nm，應控制其厚度在出現(xiàn)位錯所對應的臨界厚度以下。通過控制構(gòu)成應變雙層薄膜的兩種II1-V族材料的厚度和晶格失配度，就能獲得特定直徑的納米管和微米管。
[0039]S5中，所述臺面的形狀為矩形、U形或錨墊型(anchored pad)。
[0040]S6中，腐蝕時間由所需側(cè)向腐蝕深度決定，側(cè)向腐蝕深度決定納米管或微米管最終卷的圈數(shù)。
[0041]S6中，采用的濕法腐蝕溶液應具有非常高的腐蝕選擇比(即對II1-V族犧牲層的腐蝕速率較高，而對II1-V族應變雙層的腐蝕速率低甚至不腐蝕)，一般大于10。
[0042](三)有益效果
[0043]本發(fā)明提供的一種硅基II1-V族納米管與微米管及其制備方法，具有如下有益效果:
[0044]1、與目前其它制備納米管或微米管的工藝相比，本發(fā)明的制備方法工藝簡單、成本低廉、制管速度快、管尺寸(直徑、長度、管壁厚度、管壁圈數(shù))可控、管形貌好等優(yōu)點，而且容易在Si襯底上形成大面積、規(guī)則一致的納米管或微米管陣列，因此極具實用價值。
[0045]2、通過集成“由下至上”的異變外延生長技術(shù)與“由上而下”的光刻技術(shù)，直接在單晶Si襯底上制備出高質(zhì)量的II1-V族納米管或微米管，無需開發(fā)特殊技術(shù)將II1-V族納米管或微米管從其原有的II1-V族宿主襯底轉(zhuǎn)移到單晶Si襯底上。
[0046]3、本發(fā)明在單晶Si襯底上既可以制備獨立無支撐(free-standing)也可以制備非獨立無支撐(non free-standing)的II1-V族納米管或微米管,靈活、簡單、易操控,而其它方法僅限于在Si襯底上制備獨立無支撐的II1-V族納米管或微米管。
[0047]4、構(gòu)成管壁的應變雙層材料為直接帶隙II1-V族化合物半導體，非SiGe/Si間接帶隙半導體材料，因此很容易實現(xiàn)Si基發(fā)光。此外，應變雙層結(jié)構(gòu)中還可以插入II1-V族量子阱、納米線或量子點等低維納異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為增益介質(zhì)，進一步提高Si基II1-V族發(fā)光質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1是Si (100)襯底上生長的用于制備納米管或微米管的II1-V族多層半導體薄膜的外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖1中，11為單晶硅襯底，12為異變緩沖層，13為外延層，14為犧牲層，15為應變雙層薄膜 ，151為應變雙層薄膜的底層，152為應變雙層薄膜的頂層。
[0049]圖2是Si (100)襯底上生長的AlAs/InGaAs/GaAs多層薄膜的(400)晶面X射線雙晶衍射圖樣，掃描方式為ω-2θ掃描；橫坐標arcsec (弧秒)，縱坐標cps (count persecond,即每秒的計數(shù))
[0050]圖3是Si基II1-V族納米管或微米管的制備工藝流程圖，其中a為MOCVD外延結(jié)構(gòu)；b SH2SO4 = H2O2 = H2O溶液腐蝕形成長方形臺面結(jié)構(gòu)；c為稀釋的HF溶液腐蝕掉AlAs層犧牲層，應變雙層薄膜開始卷起；d為應變雙層薄膜卷曲成管。
[0051]圖4是制備出的Si基InGaAs/GaAs自卷曲微米管的掃描電鏡照片。圖4中，a為Si基微米管陣列照片，可見微米管陣列均勻、規(guī)則一致；b為利用長方形臺面卷成的單管和雙管的高倍掃描電鏡照片為單管管壁的高倍掃描電鏡照片，可見Si基微米管的管壁非常光滑，僅存在極其輕微的起伏。
【具體實施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0053]實施例1:在Si (100)襯底上制備II1-V族InGaAs/GaAs微米管
[0054]S1:對單晶Si襯底進行清洗并去除Si表面氧化物層，進而在單晶Si襯底上外延生長異變緩沖層；
[0055]對Si片進行RCA清洗，并利用氫氟酸(HF)去除Si (100)襯底表面氧化物層，最后去離子水清洗甩干后將Si襯底放入MOCVD反應室中。
[0056]升溫至750° C，在H2氛圍下烘烤Si片30分鐘，接著在相同溫度下通入AsH3鈍化30分鐘。
[0057]降溫至420 ° C，采用三甲基(TMGa)、砷烷(AsH3)生長低溫GaAs成核層(Lowtemperature GaAs nucleation layer),厚度 70nm, V/III 比控制在 250。
[0058]升溫至630 ° C,采用TMGa、AsH3生長中間溫度GaAs緩沖層(Intermediatetemperature GaAs buffer),厚度 300nm, V/III 比控制在 60。
[0059]S2:在異變緩沖層上生長II1-V族外延層；
[0060]升溫至685° C,采用 TMGa、AsH3 生長高溫 GaAs 外延層(High temperature GaAsepilayer),厚度 2 μ m, V/III 比控制在 60。
[0061]在AsH3保護下對GaAs外延層進行熱循環(huán)退火(TCA)，退火條件為:高溫750° C、穩(wěn)定5分鐘；低溫350° C、穩(wěn)定5分鐘；循環(huán)次數(shù)3次。
[0062]S3:在II1-V族外延層上生長II1-V族犧牲層；
[0063]降溫至685° C，采用三甲基鋁(TMAl)、TMGa、AsH3生長AlAs犧牲層，AlAs犧牲層的厚度50nm，V/III比控制在40。
[0064]S4:在II1-V族犧牲層上生長II1-V族應變雙層薄膜；
[0065]在685° C，采用三甲基銦(TMIn)、TMGa、AsH3生長InxGahAsAiaAs應變雙層薄膜(InGaAs為底層，GaAs為頂層)。其中，In的組分x控制在0.2，InGaAs/GaAs的厚度為15nm/35nm，V/III 比控制在 60。
[0066]在Si (100)襯 (400)晶面X射線衍射圖樣如圖2所示，掃描方式為ω-2 Θ掃描。在圖2中，不僅能清晰分辨出非常細銳的Si (100)襯底衍射峰與GaAs外延峰，還能分辨出Ina2Gaa8As外延峰。
[0067]S5:通過光刻和腐蝕在II1-V族應變雙層薄膜上形成特定形狀的臺面，同時將底部的II1-V族犧牲層暴露出來；
[0068]清洗外延片和光刻版，并烘干；
[0069]在外延片上涂膠并勻膠:光刻膠為ΑΖ5214Ε正膠；勻膠機1000轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)3s，4000轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)30s ；
[0070]烘膠:溫度100°C、時間IOOs ;
[0071]光刻:曝光時間40s ;為保證光刻后晶片上長方形條狀圖形沿〈100〉方向分布，放置晶片時應保證晶片切邊與光刻版呈45°角；
[0072]在顯影液中顯影55s ;顯影后在光刻膠上形成長方形條狀圖形，并用光學顯微鏡觀察；
[0073]常用的微管的制備方法有三種:獨立小方塊、光刻膠束縛、撕裂成管，本實施例優(yōu)選獨立小方塊方式制備微管。其中，光刻板中長方形圖形的尺寸和長寬比都是變化的，長度在30-100 μ m范圍內(nèi)漸變，寬度在20-50 μ m范圍內(nèi)漸變。
[0074]S6:通過選擇性濕法腐蝕對II1-V族犧牲層進行側(cè)向腐蝕，逐漸將II1-V族犧牲層腐蝕掉，使得II1-V族應變雙層薄膜從Si襯底上脫離釋放，最終通過釋放應力而自彎曲成管。
[0075]利用H2SO4:H2O2:H2O=1:8:160 (體積比)溶液,腐蝕 Ina2Gaa8As/GaAs 應變雙層結(jié)構(gòu)(室溫腐蝕速度2nm/s)。腐蝕最終停止在AlAs犧牲層上，這樣在受光刻膠掩膜保護的區(qū)域上形成了長方形臺面結(jié)構(gòu)；
[0076]去離子水清洗后；分別利用丙酮、酒精、去離子水清洗晶片，去除臺面上的光刻膠；
[0077]利用HF:H20=1:40 (體積比)溶液側(cè)向腐蝕AlAs犧牲層(室溫無攪拌，腐蝕時間由所需側(cè)向腐蝕深度決定，側(cè)向腐蝕深度決定微米管卷的圈數(shù))，使得Ina2Gaa8AS/GaAS應變雙層結(jié)構(gòu)逐漸與Si襯底脫離，但不形成獨立無支撐結(jié)構(gòu)(圖3。其中d圖中左為卷曲成雙管，右為卷曲成單管)；
[0078]晶片在去離子水中浸泡約2分鐘后取出，取出過程中應保持晶片平穩(wěn)，待晶片自然晾干后分別用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察微米管形貌。
[0079]實驗結(jié)果如圖4所示，雙層應變薄膜的結(jié)構(gòu)確定以后，其卷曲半徑R也就相應的確定了，又由于長方形圖形的寬度不同，故其卷曲所成的形狀有單管和雙管兩種。當長方形圖形的寬度稍大于或等于2JIR時0-1.5圈)，卷曲成單管(圖4b);當當方形圖形的寬度大于3 Ji R(l.5圈)時，則會形成雙管(圖4c)。本實施例中制備出的硅基Ina2Gaa8As/GaAs自卷曲微米管的半徑R為2.1 μ m。高倍掃描電鏡照片觀察到所制得的Si基微米管的管壁(圖4c)非常光滑，僅存在極其輕微的起伏，表明所得到的微米管質(zhì)量很高，應具有良好的光學、電學及光電性能。
[0080]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于 本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基II1-V族納米管與微米管，其特征在于，其是生長在單晶Si襯底上的II1-V族應變半導體薄膜，借助II1-V族犧牲層的側(cè)向腐蝕與單晶Si襯底脫離，自卷曲圍成兩端不封閉的圓柱型中空管狀結(jié)構(gòu)，管狀結(jié)構(gòu)的直徑為Inm-1OO μ m,長度為I μ m-lmm。
2.如權(quán)利要求1所述管狀結(jié)構(gòu)的管壁由兩種不同II1-V族半導體材料組成的II1-V族應變雙層薄膜構(gòu)成，管壁的總厚度為l_200nm，其中底層II1-V族半導體材料的厚度為l_50nmo
3.如權(quán)利要求1所述硅基II1-V族納米管與微米管，其特征在于，所述圓柱型中空管狀結(jié)構(gòu)由所述II1-V族應變雙層薄膜卷曲形成；卷曲圈數(shù)為η, η≥1,η=1時為單圈管,η > I時為多圈管。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的硅基II1-V族納米管與微米管，其特征在于，所述雙層薄膜中還插入II1-V族低維納異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述II1-V族低維納異質(zhì)結(jié)構(gòu)是II1-V族量子阱、納米線或量子點中的一種或多種，是外延生長在雙層薄膜中的。
5.權(quán)利要求1-4任一所述的硅基II1-V族納米管與微米管的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟: SI對單晶Si襯底進行清洗并去除Si表面氧化物層后，在單晶Si襯底上外延生長異變緩沖層； S2在異變緩沖層上生長II1-V族外延層； S3在II1-V族外延層上生長II1-V族犧牲層； S4在II1-V族犧牲層上生長II1-V族應變雙層薄膜； S5通過光刻和腐蝕在II1-V族應變雙層薄膜上形成臺面，同時將底部的II1-V族犧牲層暴露出來； 步驟S5具體包括: 551:清洗外延片和光刻版，并烘干； 552:涂膠、勻膠、烘膠、曝光、顯影、圖形檢查； 553:腐蝕外延片至犧牲層形成臺面、去膠、圖形檢查、清洗。 S6:通過選擇性濕法腐蝕對II1-V族犧牲層進行側(cè)向腐蝕，逐漸將II1-V族犧牲層腐蝕掉，使得II1-V族應變雙層薄膜從Si襯底上釋放，并最終自卷曲成管。
【文檔編號】B81B1/00GK104016294SQ201310066230
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月1日
【發(fā)明者】王 琦, 王二洋, 李伯昌, 任曉敏, 賈志剛, 閆映策, 蔡世偉, 黃永清 申請人:北京郵電大學