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CN110582858B - 纳米线结构件以及这种结构件的制造方法 - Google Patents

纳米线结构件以及这种结构件的制造方法 Download PDF

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CN110582858B CN201880029732.XA CN201880029732A CN110582858B CN 110582858 B CN110582858 B CN 110582858B CN 201880029732 A CN201880029732 A CN 201880029732A CN 110582858 B CN110582858 B CN 110582858B
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Abstract

制造结构件(100)的制造方法，所述结构件具有第一种材料的膜片(3)，膜片与多个纳米线(1)的接收端(13)接触，第一种材料尤其是铟‑锡氧化物，所述制造方法包括以下步骤：‑成形纳米线器件(10)的成形步骤，纳米线器件具有接收端(13)，接收端成形成使得形成平面表面，‑通过转移将膜片器件(3；34)直接布置在纳米线上在接纳膜片的接收端的平面表面处的布置步骤。

Description

纳米线结构件以及这种结构件的制造方法
技术领域
本发明涉及制造纳米线结构件的制造方法。本发明还涉及使用所述制造方法获得的结构件。
本发明尤其涉及光电二极管(LEDs)领域。这些二极管可在可见光至紫外线的发射范围进行发射。更准确地说，本发明涉及具有纳米线的光电二极管系列，但是也可应用于其他具有纳米结构件的器件。一般来说，本发明涉及任何光电二极管，或者任何由在一个基片上非凝聚的、沉积的或蚀刻的一个、数个或一组三维纳米结构件构成的器件。
背景技术
在该领域，存在在纳米结构件上实施电接触的问题。实际上，必须在一个电极与纳米结构件的顶部之间实施电接触。因此，应当确保与大量纳米结构件(通常是每平方厘米108至1010个触点)的电接触，同时确保电流均匀通过和在纳米结构件的顶部与基部之间避免任何短路。
已经设计成通过在纳米结构件的顶部上沉积阻挡层实施这些电触点，足以避免后来在阻挡层上沉积的一层金属层引起短路。另外，阻挡层必须足够薄或者足以导电，以允许电流通过。为此，已经设计成，使用石墨烯实施阻挡层。因此，首先在纳米结构件的顶部上淀积一层单层石墨烯，接着再在阻挡层上沉积一层附加层，以形成一个电极。但是，问题依然存在：首先，石墨烯的导电不会自然发生，石墨烯层必须非常薄，电流才能通过隧道效应通过。其次，在一层非常薄的石墨烯层的情况下，存在所述层的机械强度问题，特别是如果希望其在很大的表面上延伸。
本发明旨在弥补前述缺陷，改进必须进行电连接的纳米线结构件的制造方法。特别是，本发明提出电连接纳米线结构件的可靠制造方法。
发明内容
根据本发明的制造结构件的制造方法，所述结构件具有第一种材料的膜片，膜片与多个纳米线的接收端接触，第一种材料尤其是铟-锡氧化物，所述制造方法可包括以下步骤：
-成形纳米线器件的成形步骤，纳米线器件具有接收端，接收端成形成使得形成平面表面，
-通过转移将膜片器件直接布置在纳米线上在接纳膜片的接收端的平面表面处的布置步骤。
制造方法可包括在膜片上沉积导电的第二种材料的层的沉积步骤，尤其是沉积与第一种材料相同的第二种材料的层的沉积步骤。
膜片可以是透明的和导电的；和/或，膜片用于形成电极；和/或，纳米线是光电二极管的结构。
制造方法可包括制造膜片器件的制造步骤，包括以下步骤：
-提供第二基片，尤其是硅片；
-在第二基片上沉积一牺牲层，牺牲层尤其是金属的，特别是镍或铜的；
-在牺牲层上沉积一第一种材料层，尤其是一个厚度约为30纳米的层；
-在第一种材料层上沉积一树脂层；
-例如用FeCl3溶液化学腐蚀牺牲层。
继在接收端处在纳米线上布置膜片器件的布置步骤之后，可用溶剂冲洗结构件，尤其是以便溶解膜片器件的一层，特别是以便溶解膜片器件的一树脂层。
纳米线器件的成形步骤，可用分子束外延法或者用金属有机气相外延法或者用蚀刻予以实施。
成形步骤可包括纳米线器件的成形，以致纳米线器件具有第一基片，纳米线布置在第一基片上，尤其是纳米线垂直或者基本上垂直地布置在第一基片的表面上，和/或以致纳米线呈棱柱形或者基本上呈棱柱形，和/或以致纳米线具有光电二极管的结构。
成形步骤可包括接收端的成形，以致接收端形成平面的或者基本上平面的不连续表面。
成形步骤可包括纳米线器件的成形，以致接收端的表面面积之和与用于与接收端接触的一个膜片的表面的连续面积的比率，大于80％，或者大于90％，或者大于95％。
成形步骤可包括纳米线的成形，以致纳米线具有沿接收端的方向扩大或呈喇叭口形的几何形状；和/或，成形步骤包括纳米线的成形，以致纳米线构成包括接收端的微米柱或者纳米柱，接收端的表面的尺寸大于与接收端保持一定距离的纳米线的直径的尺寸。
成形步骤可包括纳米线的成形，以致纳米线每个都具有主体和头部，头部具有接收端，接收端的表面的面积比一个纳米线的主体的截面的面积，尤其是比在与接收端至少保持2微米距离处平行于接收端测量的纳米线的截面的面积，或者比在纳米线中部平行于接收端处测量的纳米线的截面的面积，大20％，甚至大50％。
成形步骤可包括通过n型GaN层、InGaN层和封闭层的叠置成形纳米线的主体。
成形步骤可包括纳米填充结构的头部的成形，其由一层p型GaN层和一层p++型GaN层叠置而成。
成形步骤可包括通过p型GaN层和p++型GaN层的叠置成形纳米线的头部。
根据本发明的结构件，尤其是具有纳米线的光电二极管，所述结构件通过使用上述的制造方法获得。
附图说明
本发明的目的、特征和优越性在下面，根据一种器件制造方式和结构的制造方法的一种执行方式予以详述。这些制造方式和执行方式是非限制性的。附图如下：
图1是具有纳米线的结构件一种制造方式的透视图。
图2是制造纳米线的第一实施例的示意图。
图3是制造纳米线的第二实施例的示意图。
图4至9是示意图，示出具有纳米线的结构件的制造方法的一种执行方式。
图10是制造该结构件的实施方式的俯视示意图。
具体实施方式
下面参照图1说明纳米线式光电二极管100的制造方式。
所述二极管的结构具有纳米线结构件。所述结构件包括纳米线器件10和用第一种材料制成的膜片3，第一种材料尤其是氧化铟-锡。
有利地，纳米线具有光电二极管的结构。
膜片覆盖纳米线器件。膜片尤其覆盖纳米线的端部，所述端部称为接收膜片的膜片接收端、或者接收端。纳米线为非凝聚的。接收端形成不连续表面。
所谓“不连续表面”，是指例如接收端相互不接触。尤其是指至少一些接收表面布置成与其他相邻的接收表面保持一定距离。优选地，是指每个接收表面布置成与其他相邻的接收表面保持一定距离。
可选地，结构件100可具有第二种导电材料层4，尤其是第二种材料与第一种材料相同。因此，该第二种导电材料层覆盖膜片3，如图9所示。
优选地，膜片是导电的。实际上，膜片设计成用作在纳米线中注入电流的电极，或者在纳米线上施加势能的电极。在光电二极管结构件的情况下，膜片最好是透明的。
所述膜片必须相当薄和/或足具挠性，以便准确贴合纳米件的接收端的表面。
器件10具有至少一个纳米线。优选地，器件10具有多个纳米线。这些纳米线例如按照一种图形分布，每个都与其他的保持一定距离。纳米线为非凝聚的。接收端形成不连续表面。例如，纳米线按照相继的多排布置在一个基片2上。
纳米线可按照一些排一个布置在另一个之后。因此，纳米线的列垂直于纳米线的排定向。可选地，纳米线可布置成交错，下一排的每个纳米线布置在前一排的两个纳米线之间。可选地，纳米线也可以更加随机布置。
有利地，纳米线具有朝接收端的方向扩大或呈喇叭口形的几何形状。优选地，纳米线构成微米柱或者纳米柱，包括接收端，接收端的表面的尺寸大于与接收端保持一定距离的纳米线的直径的尺寸。
如图2和3所示，至少一个纳米线，优选一些纳米线，更优选所有纳米线，每个都具有一个主体11；11'和一个头部12；12'。所谓“纳米线”，优选地，是指，在整个该文献中，主要沿方向A延伸或者沿一条曲线延伸并且横向于该方向或该曲线的横向尺寸约为一微米或者小于一微米的任何结构件。更优选地，结构件的横向于方向A或曲线测量的所有尺寸约为一微米或者小于一微米。
优选地，纳米件垂直地或者基本上垂直地布置在基片2的一个表面21上。因此，纳米件沿其延伸的方向A或者曲线在表面21处垂直于或者基本上垂直于该表面21。
表面21是一个平面表面。可选地，表面可以是一个非平面的有规则的表面，甚至是一个扭曲面。
纳米线优选为棱柱形或者基本上为棱柱形，特别是呈正棱柱形状。例如，纳米线可具有六边形的截面。但是，纳米线可具有其他任何截面形状。
优选地，所有纳米线是类似或者相同的。
主体使基片2的表面21连接于纳米件的头部。
在光电二极管结构的第一种制造方式的所示实施例中，纳米线具有一种轴向异形结构，如图2所示。根据该实施例，主体具有n型GaN层111、InGaN层112和封闭层113的叠置结构。层111与基片的表面21接触。层112与层111接触。层113与层112和头部接触。
头部与主体接触，尤其是与主体的不与表面21接触的端部接触。
头部的与接触主体的端部相对的端部，具有接收端13。这些接收端形成来自纳米线成形阶段的自由表面。这些接收端用于在而后制造结构件100的步骤时接纳膜片3。
优选地，接收端的表面呈平面的或者基本上呈平面的。但是，其可具有一定的凹曲率或者凸曲率。例如，如果最小曲率半径等于或大于纳米线的主体高度，那么，纳米线的接收端的表面视为平面。
接收端的表面的面积基本上大于纳米线的主体的截面s的面积，例如至少大20％，甚至大50％。尤其是，纳米线的主体的所述截面s定位成平行于接收端，或者垂直于轴线A。另外，优选地，所述截面s定位成与接收端至少保持2微米的距离。例如，纳米线的所述截面s在纳米线中部，或者在纳米线主体的中部，平行于接收端。因此，纳米线与膜片接触的面积显著大于纳米线基部的投影面积(垂直于纳米线延伸的方向A)。例如，纳米线与膜片接触的面积可比纳米线基部的投影面积大10倍。
优选地，根据横向与纳米线沿其延伸的方向A测量的至少一个尺寸的变化，区分头部与主体。在这种情况下，主体与头部之间的界限例如可由主体的横向尺寸显著增大尤其是增大10％以上加以限定。更一般来说，头部具有至少一个横向尺寸大于主体的一个横向尺寸。
在图1、2和4至10所示的实施方式中，头部呈具有多边形截面的截锥形，或者具有一个为多边形截面的截锥体。截锥体的小底边与主体接触。
在分子束外延法制造纳米线的假设中，纳米线生长条件的正确选择可获得宽大头部，尤其呈具有多边形截面的截锥体形状。
在参照图1和2所述的制造方法中，头部是p型GaN层121和p++型GaN层122的叠置结构。头部也可不同地加以制造，特别是在其他实施例中，层121可由InGaN构成，上面是一层适当或宽大的p型GaN层，其上面是一层适当或宽大的p++型GaN层。层121例如是具有多边形截面的截锥形。层122的端面形成接收端。
不同的接收端形成一个不连续表面。实际上，在不同的接收端之间，可以连接接收端的表面，形成一个连续表面，尤其是一个没有显著的曲率不连续性的表面。连接的不连续表面可呈平面，或者基本上呈平面。一般来说，该连接的不连续表面也可以是一个非平面有规则表面，或者是一个扭曲面。一旦膜片布置在接收端上，膜片可确保纳米线器件的不连续结构上的电连续性。
优选地，如图10所示，接收端表面的面积之和与接收端之间连接的不连续表面的总面积的比率，例如大于80％，或者大于90％，或者大于95％。因此，一旦膜片布置在端部上，膜片与纳米线的接触为其表面的80％以上，或者90％以上，或者95％以上。因此，头部的几何形状限定膜片可与之接触的材料的表面密度。该密度非常大。密度越大，膜片布置在纳米线上划破或刺穿的危险越小，越能确保膜片与纳米线之间的良好电接触。
如果在接收端处存在材料的密度太小，那么，膜片可能被刺穿，尤其是结构件的边缘，因为纳米线的精细和/或纳米线分开的间距大。显然，这种损坏是不希望有的。为了免除损坏，存在材料的密度(上面以百分比表示)十分高。为了在接收端处获得高的存在材料密度，使用如前所述纳米线器件。此外，或者可选地，可使用高的纳米线表面密度的器件，例如在表面21上每平方厘米约有1010个纳米线。纳米线的高密度与具有前述特殊几何形状的纳米线器件相结合，有利于获得不损坏或者不破裂的膜片。
优选地，接收端表面的面积之和与接收端之间连接的不连续表面的总面积的比率，例如绝对小于100％。
在纳米线彼此较远离的情况下，膜片的转移也可进行。例如，纳米线之间的距离，换句话说，纳米线网间距可大于或等于纳米线主体的横向尺寸的至少五倍。纳米线网的间距，尤其根据形成膜片的材料的机械强度加以调节。
在另一个实施例中，纳米线的头部可不呈具有多边形截面的截锥形，而可具有任何其他形状。特别是，头部可呈棱柱形，如图3所示。在这种情况下，头部12'的直径大于主体11'的直径。在通过分子束外延法制造纳米线的假设中，纳米线生长条件的正确选择可获得宽大头部，尤其具有“钉头部”形几何形状。
在另一个实施例中，纳米线可不具有光电二极管结构。实际上，前述纳米线结构件可不用于发射光。在其他应用中，纳米线尤其可用硅基材料制成，或者用以任何其他半导体材料例如属于砷化物族的材料为基础的材料制成，或者用以其上布置一个膜片确保注入电流和/或施加势能的连续性的任何其他材料(金属、聚合物、陶瓷)为基础的材料制成。
下面参照图4至9说明具有一个形成电极的膜片3和多个纳米线1的结构件100的制造方法的执行方式。
在第一阶段，制造膜片器件3、34，其具有膜片3，膜片覆以一层34。
在第二阶段，制造或成形如前所述的纳米线器件10，或者这样一种纳米线器件，其与前述纳米线器件的不同之处在于，纳米线具有一种结构，其中，不能区分头部与主体，即例如，在纳米线的整个长度上具有不变或者基本上不变的尺寸或横向截面的结构件。器件10的纳米线形成一个不连续的结构件。纳米线为非凝聚的，每个都与其他的保持一定距离。纳米线的端部，称为接收膜片的膜片接收端或者接收端，形成一个不连续表面。
在第三阶段，使膜片器件3、34尤其通过转移布置在纳米线器件10上。膜片器件在膜片的接收端的表面处直接布置在纳米线上。膜片器件以范德瓦尔斯力“胶接”在接收端的表面上。因此，根据该方法，使膜片器件直接定位在接收端上。膜片器件布置成导电层和/或膜片器件的透明层直接接触纳米线，尤其是直接接触纳米线的接收端。因此，膜片器件布置在纳米线上，不预先进行下述布置：
-不预先在不同的纳米线之间布置填充材料，或者
-不预先在纳米线上布置一层阻挡层，特别是置于纳米线的自由端上的一层阻挡层。
在第四阶段，用溶剂例如丙酮溶剂冲洗结构，尤其是为了溶解膜片器件的一层34，特别是为了溶解膜片器件的树脂层。在该第四阶段，接着，可选地，可在膜片3上沉积第二种导电材料层4，如图9所示。第二种材料可与第一种材料相同。该可选的沉积步骤例如可增厚膜片，用机械方法加强膜片。
第一和第二阶段可按任何顺序执行。它们也可并行或者同时执行。
在第一阶段，可实施以下步骤。
在第一步骤，提供第二基片31，例如硅片。
在第二步骤，如图4所示，在第二基片上沉积牺牲层32，例如金属层，尤其是镍或铜层。
在第三步骤，如图5所示，在牺牲层上沉积第一种材料层3，例如尤其是一层厚约30纳米的层，或者一层厚约20纳米的层。该层构成膜片3。
在第四步骤，如图6所示，在第一种材料层上沉积树脂层34。
在第五步骤，如图7所示，例如用FeCl3溶液化学腐蚀牺牲层32。因此，获得一个膜片(由层3和34形成)，如图7所示。
优选地，在第二阶段，例如用分子束外延法或者金属有机化合物气相外延法，或者用蚀刻，成形或制造器件10。所用方法的参数的正确选择，可获得宽大头部。尤其是，纳米线的分子束外延法生长条件的正确选择，可获得宽大头部。
借助于上述器件和方法，可在微米或纳米柱上制造一个电极(透明和导电)，每个微米或纳米柱在其顶端具有一个平面表面，平面表面的尺寸大于所述柱的直径。在这些顶端表面上布置或者转移一个膜片(透明和导电)，确保所述制造。顶端表面的几何形状和密度可获得最佳电接触，避免膜片可能被这些柱刺穿。膜片可确保纳米线器件的不连续结构上的电连续性。
如前所述，本发明的有利应用涉及光电二极管结构的制造。应当指出，在由于金属层的普通沉积技术而可能被损坏的有机光电二极管的情况下，转移方案是一种可在布置时保持膜片完整性的平稳技术。
另外，应当指出，任何有线构件结构可由该文献的器件和方法进行关连，与有线构件的密度或大小无关。因此，尤其可在特定光子发射极上或者在各种光子物体(微盘)上配置插座。
因此，使用转移的导电膜片不限于光电二极管领域。也可在任何类型的纳米线或者由“底部向上”或者“顶部向下”技术获得的纳米柱上转移这种膜片。
氧化铟-锡膜片的转移在前面已经说明。但是，除了氧化铟-锡之外，任何其他材料的膜片均可转移，只要其能够易于例如通过一层牺牲层的化学腐蚀，从初始载体去除。

Claims (25)

1.制造结构件(100)的制造方法，所述结构件具有第一种材料的膜片(3)，膜片与多个纳米线(1)的接收端(13)接触，所述制造方法包括以下步骤：
-成形纳米线器件(10)的成形步骤，纳米线器件具有接收端(13)，接收端成形成使得形成平面表面，
-制造膜片器件的制造步骤，膜片器件包括所述膜片(3)和层(34)；
-通过转移将预制的该膜片器件直接布置在纳米线上在接纳膜片的接收端的平面表面处的布置步骤，使得膜片与所述接收端接触。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，制造方法包括在膜片(3)上沉积导电的第二种材料的层(4)的沉积步骤。
3.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，膜片是透明的和导电的；和/或，膜片用于形成电极；和/或，纳米线是光电二极管的结构。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，制造膜片器件的制造步骤，包括以下步骤：
-提供第二基片(31)；
-在第二基片上沉积一牺牲层(32)；
-在牺牲层上沉积用于形成膜片的一第一种材料层(3)；
-在第一种材料层上沉积一树脂层(34)，膜片(3)和树脂层(34)形成膜片器件；
-化学腐蚀牺牲层。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，继在接收端处在纳米线上布置膜片器件的布置步骤之后，用溶剂冲洗结构件，以便溶解膜片器件的层(34)。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，纳米线器件的成形步骤，用分子束外延法或者用金属有机气相外延法或者用蚀刻予以实施。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括纳米线器件的成形，以致纳米线器件具有第一基片(2)，纳米线布置在第一基片上，纳米线垂直或者基本上垂直地布置在第一基片的表面(21)上，和/或以致纳米线呈棱柱形或者基本上呈棱柱形，和/或以致纳米线具有光电二极管的结构。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括接收端的成形，以致接收端形成平面的或者基本上平面的不连续表面。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括纳米线器件的成形，以致接收端的表面面积之和与用于与接收端接触的一个膜片的表面的连续面积的比率，大于80％，或者大于90％，或者大于95％。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括纳米线的成形，以致纳米线具有沿接收端的方向扩大或呈喇叭口形的几何形状；和/或，成形步骤包括纳米线的成形，以致纳米线构成包括接收端的微米柱或者纳米柱，接收端的表面的尺寸大于与接收端保持一定距离的纳米线的直径的尺寸。
11.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括纳米线的成形，以致纳米线每个都具有主体(11；11')和头部(12；12')，头部具有接收端(13)，接收端的表面的面积比一个纳米线的主体的截面的面积，或比在与接收端至少保持2微米距离处平行于接收端测量的纳米线的截面的面积，或者比在纳米线中部平行于接收端处测量的纳米线的截面的面积，大20％。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括通过n型GaN层(111)、InGaN层(112)和封闭层(113)的叠置成形纳米线的主体。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括通过p型GaN层(121)和p++型GaN层(122)的叠置成形纳米线的头部。
14.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，成形步骤包括用硅基材料制的纳米线的成形。
15.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，第一种材料是铟-锡氧化物。
16.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，第二种材料与第一种材料相同。
17.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，第二基片是硅片。
18.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，牺牲层是金属的牺牲层。
19.根据权利要求18所述的制造方法，其特征在于，牺牲层是镍或铜的牺牲层。
20.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，第一种材料层是一个厚度为30纳米的层。
21.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，用FeCl3溶液化学腐蚀牺牲层。
22.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，继在接收端处在纳米线上布置膜片器件的布置步骤之后，用溶剂冲洗结构件，以便溶解膜片器件的树脂层。
23.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，接收端的表面的面积比一个纳米线的主体的截面的面积，或比在与接收端至少保持2微米距离处平行于接收端测量的纳米线的截面的面积，或者比在纳米线中部平行于接收端处测量的纳米线的截面的面积大50％。
24.结构件(100)，所述结构件通过使用根据权利要求1至23中任一项所述的制造方法获得。
25.根据权利要求24所述的结构件，其特征在于，结构件是具有纳米线的光电二极管。
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