專利名稱：一種制備光子晶體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微納米加工方法，尤其涉及一種制備光子晶體的方法。
背景技術：
目前，微納米加工技術方法主要有“自上而下”的高分辨技術和“自底而上”的直接組裝工藝[《微納米加工技術及其應用綜述》，崔錚，物理2006，1，34-37]?！白陨隙隆钡姆椒òl(fā)源于微電子技術中的常規(guī)光刻技術，這一方法是在基底材料表面通過光刻腐蝕制備所需的功能結(jié)構，主要包括基于光學和電子束曝光(EBL)的平面技術[[Pease，R.F.W.J.Vac.Sci.Technol.B1992，10，278-285]、[Pease，R.F.PatterningTechniques for sub-100nm Devices，Circuits and Systems.In Nanostructuresand Mesoscopic Systems；Kirk，W.P.，Reed，M.A.，Eds.；Academic PressBoston，1992；pp37-50]、[McCord，M.A.J.Vac.Sci.Technol.B1997，15，2125-2129]]，X射線光刻技術(XBL)[[Smith，H.I.；Schattenburg，M.L.IBM J.Res.DeV.1993，37，319-329]、[Silverman，J.P.J.Vac.Sci.Technol.B1997，15，2117-2124]]，粒子束光刻技術(IBL)[Melngailis，J.；Mondelli，A.A.；Berry，I.L.，III；Mohondro，R.J.Vac.Sci.Technol.B1998，16，927-957]。目前廣泛應用的是光學曝光平面技術，是集成電路的關鍵技術之一，在整個產(chǎn)品制造中是重要的經(jīng)濟影響因子，但是，應用這種技術的成本非常之高，光刻成本占據(jù)了整個制造成本的35％，僅就設備而言，建立一條先進的集成電路芯片加工生產(chǎn)線需要耗資10億美元以上。購買一臺先進的電子束曝光機需要數(shù)百萬美元。另外，這些技術的加工效率也比較低，導致單位器件的成本非常高。
Fan等人從理論上計算出可以利用光子晶體提高LED的出光效率[HighExtraction Efficiency of Spontaneous Emission from Slabs of PhotonicCrystals.Shanhui Fan，Pierre R.Villeneuve，and J.D.Joannopoulos.Phys.Rev.Lett.78，3294-3297(1997)]。2003年日本松下公司率先將光子晶體運用到藍色LED(發(fā)光二極管)，使得發(fā)光效率提高了1.5倍，而理論計算表明進一步改進工藝后效率可以提高3倍。所以光子晶體在LEB領域的應用具有廣泛的前景。
目前制備光子晶體的方法主要是傳統(tǒng)的EBL，其制作成本高，效率低，另外，在光刻工藝過程中還會產(chǎn)生對環(huán)境造成影響的因素(1)廢水包括含氟廢水、含氨廢水、酸堿廢水、CMP廢水；(2)廢氣包括酸性廢氣、堿性廢氣、有機廢氣和工藝尾氣；(3)固體廢物及廢液包括廢水處理污泥、光刻膠廢液、有機溶劑廢液、廢酸等。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種制備光子晶體的方法，該對設備要求低，工藝簡單、成品率高。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種制備光子晶體的方法是LB膜方法、自組裝法或者旋涂法(spin-coating)將膠體微球組成規(guī)則排列的單層或多層膠體晶體薄膜，然后再用這種薄膜作為模板，利用水熱或溶劑熱的方法在半導體單晶基片上制備二維或三維光子晶體。
進一步地，所述膠體微球包括高分子和無機膠體微球。
進一步地，所述高分子膠體微球為聚苯乙烯微球(PS)，所述無機膠體微球為二氧化硅(SiO2)微球，這些膠體微球的粒徑在90nm～10μm。
進一步地，所述水熱法包括如下步驟1)制備前驅(qū)溶液，用Zn(OH)2膠體或市售Zn(OH)2作前驅(qū)物，純水或KOH為反應介質(zhì)，KOH濃度為0.05～10M；2)將附有單層膠體晶體微球的基片放入盛有前驅(qū)體溶液的容器之中，然后將容器放入高壓釜，反應溫度為50～500℃，反應時間為1～200h。
進一步地，所述溶劑熱法包括如下步驟1)制備前驅(qū)溶液，用硝酸鋅(Zn(NO3)2，濃度0.001M～5M)與六次甲基四胺(HMT，濃度0.001M～5M)的水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；或與乙酸鋅(Zn(CH3COO)2，濃度0.001M～5M)，氨水(NH3·H2O，濃度0.001M～10M)水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；2)將附有單層膠體晶體微球的基片放入盛有前驅(qū)體溶液的容器之中，然后將容器放入高壓釜，反應溫度為50～500℃，反應時間為1～200h。
進一步地，所述半導體晶體片包括ZnO、ZnS、ZnSe、TiO2、In2O3或GaN。
本發(fā)明工藝過程非常簡單，只需要在晶片覆蓋膠體微球模板后，通過水熱或溶劑熱的方法，就能在基片上外延生長出所需要的微納米結(jié)構。由于外延層是在基片的基礎上生長，所以其結(jié)構和性質(zhì)與基底完全相同。并且可以制備大面積的晶片，這樣提高了單位成品制備效率。另外由于工藝步驟少，產(chǎn)生的總體廢棄物要少很多，并且對大部分材料而言不產(chǎn)生氟廢水、有機廢氣，就ZnO而言，水熱過程中液相中自由生成的ZnO可以重復利用，可節(jié)約資源，是一種環(huán)境友好的制備工藝。


圖1為本發(fā)明實施例1中ZnO單晶基片二維光子晶體的水熱法制備工藝示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例1所制備出二維光子晶體示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例1所制得的二維光子晶體實物圖。
圖4為本發(fā)明實施例2所制得的三維光子晶體實物圖。
具體實施例方式
實施例1 ZnO二維光子晶體制備具體步驟如下1)首先是單層膠體微球的制備使用的膠體微球粒徑在90nm～10μm，所使用的基片為有ZnO單晶襯底的硅片或藍寶石基片；方法一(旋涂法) 將膠體微球水溶液(體積百分比濃度在0.5％～20％)與甲醇按適當體積比(1∶1～20)配制，然后將這種溶液滴加在基片上，在合適的轉(zhuǎn)速下(100-3000轉(zhuǎn)/分鐘)就可制得規(guī)則排列的單層膠體微球薄膜；或方法二(自組裝法) 將膠體微球水溶液(體積百分比濃度0.5％～20％)與乙醇按適當體積比(1∶1～20)配制，然后將溶液滴加在盛有高純水的容器中，會在水的表面漂浮一單層膠體微球，將基片插入溶液，然后緩慢提出，會在基片表面附著一單層膠體微球；2)水熱前驅(qū)體溶液配制配方一硝酸鋅(Zn(NO3)2)，濃度0.001M～5M)，六次甲基四胺(HMT，濃度0.001M～5M)的水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；或配方二乙酸鋅(Zn(CH3COO)2，濃度0.001M～5M)，氨水(NH3·H2O，濃度0.001M～10M)水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；或配方三用Zn(OH)2膠體或市售Zn(OH)2作前驅(qū)物，純水為反應介質(zhì)；或配方四用Zn(OH)2膠體或市售Zn(OH)2作前驅(qū)物，KOH為反應介質(zhì)，KOH濃度為0.05～10M；3)水熱生長將附有單層膠體晶體微球的基片放入盛有前驅(qū)體溶液的容器5之中，然后將容器放入高壓釜，反應溫度為50～500℃，反應時間為1～200h。如圖1所示，圖中1為基底，2為單晶薄膜，3為膠體晶體微球，4為前驅(qū)體溶液。
水熱反應完畢后除掉膠體微球，就得到了ZnO二維光子晶體，圖2為水熱后薄膜示意圖，圖中1為基底，2為單晶薄膜。如圖3所示，為所制得的二維光子晶體實物圖。
本實施例中所采用的膠體微球為聚苯乙烯微球。
實施例2 ZnO三維維光子晶體制備具體步驟如下1)多層膠體微球的制備使用的膠體微球粒徑在90nm～10μm，所使用的基片為有ZnO單晶襯底的硅片或藍寶石基片；方法一(旋涂法) 與實施例1中的方法一相同，只是需要反復重復單層制備方法來制備多層膠體微球，重復次數(shù)和層數(shù)成正比；或方法二(自組裝法) 在一容器中盛一定體積百分比的膠體微球水溶液或乙醇(體積百分比濃度在0.01％～10％)，然后將基片豎直放置在溶液中，將整個容器放置在恒溫恒濕環(huán)境中，溫度在20～60度，濕度在10％～90％。當溶液蒸發(fā)完畢，就能在基片上獲得多層膠體晶體薄膜，薄膜層數(shù)和溶液的濃度成正比；或方法三(LB法) 在一容器中盛一定體積百分比的膠體微球水溶液或乙醇(體積百分比濃度在0.01％～10％)，然后將基片豎直放置在溶液中，將整個容器放置在恒溫恒濕環(huán)境中，溫度在20～60度，濕度在10％～90％。，然后基片緩慢提起，提拉速度為0.01μm～100μm/s，可在基片上獲得多層膠體晶體薄膜，在一定濃度下，層數(shù)和提拉速度成正比。
2)水熱前驅(qū)體溶液配制同實施例1。
3)水熱生長過程同實施例1。
如圖4所示，為所制得的三維光子晶體實物圖。
另外，采用實施例1或2的方法也同樣可以用于制備其它半導體晶體片，如ZnS、ZnSe、TiO2、In2O3或GaN等。
權利要求
1.一種制備光子晶體的方法，其特征在于，采用LB膜方法、自組裝法或者旋涂法將膠體微球組成規(guī)則排列的單層或多層膠體晶體薄膜，然后再用這種薄膜作為模板，利用水熱或溶劑熱的方法在半導體單晶基片上制備二維或三維光子晶體。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備光子晶體的方法，其特征在于，所述膠體微球包括高分子和無機膠體微球。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種制備光子晶體的方法，其特征在于，所述高分子膠體微球為聚苯乙烯微球，所述無機膠體微球為二氧化硅微球，所述高分子膠體微球的粒徑在90nm～10μm。
4.根據(jù)權利要求1至3任一所述的一種制備光子晶體的方法，其特征在于，所述水熱法包括如下步驟1)制備前驅(qū)溶液，用Zn(OH)2膠體或市售Zn(OH)2作前驅(qū)物，純水或KOH為反應介質(zhì)，KOH濃度為0.05～10M；2)將附有單層膠體晶體微球的基片放入盛有前驅(qū)體溶液的容器之中，然后將容器放入高壓釜，反應溫度為50～500℃，反應時間為1～200h。
5.根據(jù)權利要求1至3任一所述的一種制備光子晶體的方法，其特征在于，所述溶劑熱法包括如下步驟1)制備前驅(qū)溶液，用硝酸鋅和六次甲基四胺的水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；或硝酸鋅和用乙酸鋅水溶液，按體積比1∶0.01～50混合，得到前驅(qū)體溶液；2)將附有單層膠體晶體微球的基片放入盛有前驅(qū)體溶液的容器之中，然后將容器放入高壓釜，反應溫度為50～500℃，反應時間為1～200h。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種制備光子晶體的方法，其特征在于，所述半導體晶體片包括ZnO、ZnS、ZnSe、TiO2、In2O3或GaN。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備光子晶體的方法，該方法采用LB膜方法、自組裝法或者旋涂法將膠體微球組成規(guī)則排列的單層或多層膠體晶體薄膜，然后再用這種薄膜作為模板，利用水熱或溶劑熱的方法在半導體單晶基片上制備二維或三維光子晶體。本發(fā)明工藝過程非常簡單，只需要在晶片覆蓋膠體微球模板后，通過水熱或溶劑熱的方法，就能在基片上外延生長出所需要的微納米結(jié)構。由于外延層是在基片的基礎上生長，所以其結(jié)構和性質(zhì)與基底完全相同。并且可以制備大面積的晶片，這樣提高了單位成品制備效率。
文檔編號C30B29/16GK1936105SQ200610113418
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權日2006年9月27日
發(fā)明者藍鼎, 王育人, 張蔭民 申請人:中國科學院力學研究所