CN103794714A

CN103794714A - 一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法

Info

Publication number: CN103794714A
Application number: CN201410044167.8A
Authority: CN
Inventors: 魏同波; 吴奎; 王军喜; 曾一平; 李晋闽
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明公开了一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法，包括：在衬底上依次生长n型层、多量子阱有源区、p型层，并在所述p型层的上表面自组装一层纳米小球阵列；利用纳米小球阵列作为掩模版，刻蚀出LED结构，刻蚀深度接触到n型层，形成纳米柱LED阵列；在纳米柱LED阵列之间，填充透明材料；纳米柱LED阵列的表面沉积一层金属导电层；刻蚀露出一部分n型层，在露出的n型层上表面和金属导电层上表面通过金属蒸镀的方法制备n型电极和p型电极；在金属导电层表面未制作p型电极部分压一个透明刚性基板；连通n型电极和p型电极，完成应力传感器的制备。

Description

一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法。

背景技术

异质外延的纳米柱半导体二级管阵列中，因为压电效应存在大的压电场，会使得二极管能带发生倾斜，有效带宽变窄，发光波长发生红移。而压电电场是随着外界压力变化的。也就是说，在外界压力变化下会使得有源区的量子阱有效带宽，从而二级管出射光波长、颜色也会跟着外界压力发生变化，这样可以很直观的观测到外界应力的大小，从而实现报警功能。比如应用于大桥通过车辆的限重报警等。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法，其包括：

步骤1：在衬底上依次生长n型层、多量子阱有源区、p型层，并在所述p型层的上表面自组装一层纳米小球阵列；

步骤2：利用纳米小球阵列作为掩模版，刻蚀出LED结构，刻蚀深度接触到n型层，形成纳米柱LED阵列；

步骤3：在纳米柱LED阵列之间，填充透明材料；

步骤4：纳米柱LED阵列的表面沉积一层金属导电层；

步骤5：刻蚀露出一部分n型层，在露出的n型层上表面和金属导电层上表面通过金属蒸镀的方法制备n型电极和p型电极；

步骤6：在金属导电层表面未制作p型电极部分压一个透明刚性基板；

步骤7：连通n型电极和p型电极，完成应力传感器的制备。

本发明提出的上述方案利用异质外延的纳米柱半导体二级管阵列中的压电场制备应力传感器，是随着外界压力变化的。会使得有源区的量子阱有效带宽发生变化，从而二级管阵列的出色波长，也就是出射光的颜色会发生变化，这样可以很直观的观测到外界应力的大小，从而实现报警功能。

附图说明

图1为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中制备纳米小球阵列后的示意图；

图2为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中形成纳米柱LED阵列后的示意图；

图3为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中填充透明树脂后的示意图；

图4为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中沉积金属导电层后的示意图；

图5为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中得到金属电极后的示意图；

图6为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中压了透明玻璃板后的示意图；

图7为本发明基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法中在透明玻璃板上施加一定的压力后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1至图7，本发明提供了一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一衬底10，在衬底10上生长一层薄膜n型GaN11，接着生长一层多量子阱有源区，即MQWs12和P型GaN，即p-GaN13；最后在p-GaN13，形成了一个完整的LED结构，最后在p-GaN13表面自组装一层紧密排列的纳米小球阵列14；其中，衬底10为蓝宝石衬底，也可以是玻璃、Si、ZnO、AlN、SiC、GaN、GaAs、LiAlO₂等其它III/V族，IV/VI族二元、三元及四元化合物半导体合金衬底材料，也包括Cu等金属材料和石英等非金属材料等，n-GaN11的厚度在1到10微米，其也可以是n-AlGaN、n-ZnO、n-InP、n-GaAs等其他III/V族，IV/VI族二元、三元及四元化合物半导体合金材料；MQWs12优选为m个氮化铟镓(In_yGa_1-yN)量子阱与m+1个氮化镓(GaN)量子势垒，每个氮化铟镓(In_yGa_1-yN)量子阱上下两侧都有一个氮化镓(GaN)量子势垒，其中m≥1，0≤y≤1；多量子阱MQWs12最后可以包含一个电子阻挡层，选自于Al_zGa_1-zN材料，其中0≤z≤1；p-GaN13厚度为10nm-1μm之间，过厚的p-GaN会对出射光有吸收，也可以是p-AlGaN、p-ZnO、p-InP、p-GaAs等其他III/V族，IV/VI族二元、三元及四元化合物半导体合金材料；氮化物外延生长时采用的生长方法为金属有机物化学气相沉积MOCVD、HVPE或分子束外延MBE中任意一种，或任意两种或三种的组合；n型和p型掺杂源分别为硅和镁；纳米小球阵列14，可以是聚苯乙烯球、二氧化硅球、PDMS球、氧化铝球、氯化铯球等能通过自组装技术排列球，直径为0.1-1um。或者是通过金属自组装形成的Ni、Ag等其它金属和非金属小球；见图1。

步骤2：利用纳米小球阵列14作为掩模版，刻蚀LED结构，刻蚀深度接触到n-GaN11，形成纳米柱LED阵列20；其中，采用ICP刻蚀，刻蚀气体为Cl基气体，当然也可以结合化学腐蚀，放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中(或KOH溶液中)腐蚀，在200-400度的高温下腐蚀，从而消除刻蚀损伤；见图2。

步骤3：在纳米柱LED阵列20之间，填充透明树脂30；其中，填充材料30可以为玻璃、塑料、树脂、硅胶、氧化硅、陶瓷等其他无机和有机透明材料，填充方法可是旋涂法和溅射的方法；见图3。

步骤4：纳米柱LED阵列20的表面沉积一层金属导电层40；其中，金属导电层40可以选自于包括镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/铂(Pt)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)、铬(Cr)/银(Ag)/金(Au)等金属材料群组中的一种材料，还包括石墨烯、碳纳米管、ITO、GZO、AZO、金属纳米线阵列等作为导电膜的导电材料；见图4。

步骤5：通过刻蚀工艺，露出一部分n-GaN11，在露出的n-GaN11表面和金属导电层40表面通过金属蒸镀的方法分别得到金属电极50，即n型电极和p型电极；其中，经过光刻、电子束蒸发等工艺制备n和P型金属，金属导电层40可以选自于包括镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/铂(Pt)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)、铬(Cr)/银(Ag)/金(Au)等金属材料群组中的一种材料；见图5。

步骤6：在金属导电层40表面未制作金属电极部分压一个透明玻璃板60，便于施加压力，且保证了光的出射；其中，透明玻璃板60，可以是透明塑料、金属、陶瓷板等无机和有机透明硬质材料，其厚度可以是任意厚度；见图6。

步骤7：接通电源70，即利用电线连通n型电极和p型电极，且在透明玻璃板60上施加一定的压力71；此时，因为外部压力71的变化，会使得纳米柱LED阵列14内的压电场发生变化，会使得纳米柱LED阵列14中的多量子阱结构MQWs12的有效带宽随着外部压力而发生变化，其结果纳米柱LED阵列14的出射光60的波长会发生变化，故我们能从出射光60的颜色变化，直观感知到外部压力的变化，而实现报警功能；其中，接通电源70之后，在外加压力71的作用下，通过出射光72的颜色变化可以直观感知到外界压力的变化，而实现警报功能，其原理是利用纳米柱LED阵列20中压电场的变化，见图7。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于纳米柱二极管压电效应的应力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤3：在纳米柱LED阵列之间，填充透明材料；

步骤4：纳米柱LED阵列的表面沉积一层金属导电层；

步骤7：连通n型电极和p型电极，完成应力传感器的制备。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述n型层和p型层均为III/V族、IV/VI族二元、三元及四元半导体化为物半导体合金材料，所述p型层的厚度在10nm-1μm之间。

3.如权利要求1所述的方法，其中，多量子阱包括m个氮化铟镓量子阱与m+1个氮化镓量子势垒，且每个氮化铟镓量子阱上下两侧都有一个氮化镓量子势垒，其中m≥1，0≤y≤1。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米小球阵列可以是聚苯乙烯球、二氧化硅球、PDMS球、氧化铝球、氯化铯球、Ni球或Ag球。

5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2中采用ICP刻蚀，刻蚀气体为Cl基气体，并将刻蚀后的纳米柱LED阵列放于高温浓硫酸和磷酸混合溶液中腐蚀，腐蚀温度为200-400。

6.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3中填充的透明材料为玻璃、塑料、树脂、硅胶、氧化硅或陶瓷。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述金属导电层为金属材料或以石墨烯、碳纳米管、ITO、GZO、AZO、金属纳米线阵列作为导电膜的导电材料。

8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤6中所述透明刚性基板可以是透明塑料、金属或陶瓷板。

9.如权利要求1所述的方法，其中，当外部压力施加在所述刚性基板上时，通过从刚性基板出射的光颜色变化判断外界压力的变化。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述n型层和p型层由氮化镓材料制成。