單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金剛石化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，涉及單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，第三代半導(dǎo)體材料如金剛石、GaN和SiC都是近年來國內(nèi)外研宄的熱點(diǎn)，但是相比于GaN和SiC而言，金剛石表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。金剛石材料的禁帶寬度大，臨界擊穿電場強(qiáng)度高，載流子的飽和漂移速率以及迀移率都非常大，介電常數(shù)非常小，特別適用于高頻、高壓、高功率電子器件。它集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料，在微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、航空航天、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域中具有極佳的應(yīng)用前景。高質(zhì)量的金剛石薄膜是從事金剛石研宄以及金剛石應(yīng)用的基礎(chǔ)。近年來，化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石薄膜的制備取得了令人矚目的進(jìn)展，從而使得金剛石的優(yōu)異特性得到了多方面的應(yīng)用。
[0003]金剛石納米結(jié)構(gòu)的制備是金剛石潛在應(yīng)用的研宄方向之一，例如，近年來興起的金剛石納米錐、納米線、納米棒等等。因此有必要探索金剛石納米結(jié)構(gòu)的制備方法，來提升金剛石的應(yīng)用空間。
[0004]另外，盡管單晶金剛石薄膜的制備取得了一定的成果，但是與其他單晶半導(dǎo)體薄膜相比，單晶金剛石薄膜依然具有較高的位錯密度。半導(dǎo)體薄膜中較高的位錯密度會對器件性能有較大的影響，例如金剛石肖特基二極管在金剛石薄膜位錯密度增加時將引起肖特基二極管漏電流增大，導(dǎo)致金剛石肖特基二極管的耐壓性能下降。因此，獲得高質(zhì)量單晶金剛石薄膜依然是當(dāng)前研宄需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用，以獲得單晶金剛石納米陣列結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行單晶金剛石薄膜的生長。
[0006]本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0007]a.以單晶金剛石為襯底，將納米分散液滴到單晶金剛石表面，通過旋涂的方法在單晶金剛石表面均勻分散；
[0008]b.利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，采用氧等離子體來刻蝕所述步驟a中分散有納米顆粒的單晶金剛石；
[0009]c.采用濕法刻蝕或超聲清洗方法，去除單晶金剛石襯底表面的納米顆粒，即形成單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)。
[0010]進(jìn)一步的，納米顆粒為納米二氧化娃、納米三氧化二銷或納米二氧化鈦中的任意一種，且所述納米顆粒直徑為1nm?3 μ??ο
[0011]進(jìn)一步的，納米分散液是將納米顆粒分散到酒精或者丙酮溶液中制備得到。
[0012]進(jìn)一步的，單晶金剛石為高溫高壓法制備的單晶金剛石或微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備的單晶金剛石。
[0013]進(jìn)一步的，步驟a中旋涂的具體方法為:利用勻膠機(jī)在單晶金剛石表面均勻旋涂納米分散液，通過調(diào)節(jié)分散液濃度和旋涂速度，以獲得在金剛石襯底表面均勻緊密排列的單層納米顆粒。
[0014]進(jìn)一步的，步驟b中的刻蝕條件為:氧氣40sccm，壓強(qiáng)8Pa，功率200W。
[0015]進(jìn)一步的，步驟c中濕法刻蝕的具體方法為:
[0016]I)若納米顆粒為二氧化硅，則采用氟化氫溶液對其進(jìn)行溶解；若納米顆粒為三氧化二鋁，則采用鹽酸對其進(jìn)行溶解；若納米顆粒為二氧化鈦，則采用熱的濃硫酸對其進(jìn)行溶解；
[0017]2)再對經(jīng)步驟I)溶解后的單晶金剛石依次采用丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行超聲清洗，以去除殘留溶解物。
[0018]進(jìn)一步的，步驟c中超聲清洗的具體方法為:對單晶金剛石表面直接依次采用丙酮、酒精和去離子水進(jìn)行超聲清洗，以去除納米顆粒。
[0019]本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)在生成單晶金剛石薄膜中的應(yīng)用，通過在單晶金剛石襯底表面的納米柱上進(jìn)行金剛石同質(zhì)外延生長，并在納米凹槽上橫向生長，從而在單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的襯底上生長出單晶金剛石薄膜。
[0020]本發(fā)明的有益效果是，采用自組裝工藝，對單晶金剛石襯底進(jìn)行處理，獲得單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)，再對其進(jìn)行橫向外延生長，獲得高質(zhì)量的單晶金剛石薄膜，可以有效的降低位錯密度，改善單晶金剛石薄膜的生長質(zhì)量。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明旋涂納米顆粒分散液的過程示意圖；
[0022]圖2a是本發(fā)明旋涂完納米顆粒分散液的金剛石襯底的主視圖，圖2b是圖2a的俯視圖；
[0023]圖3是本發(fā)明對分散有納米顆粒的單晶金剛石進(jìn)行刻蝕的示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明步驟b刻蝕完成后的單晶金剛石的示意圖；
[0025]圖5是去除納米顆粒后的單晶金剛石納米柱陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6a是金剛石納米柱陣列外延生長的示意圖，圖6b是金剛石納米柱陣列橫向生長的示意圖，圖6c是金剛石納米柱陣列生長結(jié)束后的連續(xù)單晶金剛石薄膜示意圖。
[0027]圖中，101.單晶金剛石，102.納米顆粒，103.納米分散液，104.氧等離子體，105.金剛石納米柱，106.單晶金剛石薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029]一、本發(fā)明提供了一種單晶金剛石納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0030]a.以單晶金剛石101為襯底，將納米分散液103滴到單晶金剛石表面，利用勻膠機(jī)在單晶金剛石表面均勻旋涂納米分散液103，通過調(diào)節(jié)分散液濃度和旋涂速度，以獲得在單晶金剛石101襯底表面均勻緊密排列的單層納米顆粒102。
[0031]旋涂的具體方法為:在單晶金剛石101表面形成納米顆粒102掩膜層的具體方法為，首先取一定量的納米顆粒102分散到一定量的酒精或者丙酮當(dāng)中，通過超聲清洗機(jī)對分散液進(jìn)行超聲攪拌一定時間，來保證納米顆粒102在酒精或丙酮中均勻分散。將納米分散液103滴到單晶金剛石101表面，利用勻膠機(jī)在單晶金剛石101表面均勻旋涂納米分散液103。通過調(diào)節(jié)分散液濃度和旋涂速度，獲得在單晶金剛石101表面均勻緊密排列的單層納米顆粒102。也可以采用自聚集方式，將單晶金剛石101置于分散液中一段時間后，自然風(fēng)干，得到表面含有納米顆粒層的樣品。圖1展示的納米顆粒層的旋涂過程，圖2a和圖2b分別是納米顆粒層旋涂后的單晶金剛石樣品的主視圖和俯視圖。
[0032]b.利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，采用氧等離子體來刻蝕步驟a中分散有納米顆粒的單晶金剛石；該刻蝕條件為:氧氣40sccm，壓強(qiáng)8Pa，功率200W。
[0033]刻蝕金剛石以形成單晶金剛石納米柱陣列的具體方法為:將表面旋涂有納