外延定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的方法，步骤如下：1)对晶体衬底处理，去掉表面氧化层；2)蒸镀In、Sn诱导金属膜，生长出金属膜图案，膜厚度在几个纳米到几十个纳米；3)在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在温度200℃-500℃、功率2W-50W时进行处理，使金属膜收缩成为直径在几十纳米到几微米之间的准纳米金属催化颗粒；4)继续在PECVD系统中覆盖生长一层几纳米至几百纳米的非晶硅层作为前驱体介质层；5)非晶硅层在真空中或非氧化性气氛中退火，利用IP-SLS生长模式在非晶硅层生长获得外延硅或锗纳米线。为基于平面半导体纳米线的场效应晶体管、传感器和光电器件提供了关键技术。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】一、
本专利技术涉及光电材料和器件领域，特别是关于在晶体衬底上直接生长高质量单晶外延半导体纳米线的方法及得到纳米线结构。二、
技术介绍
当前社会微电子及光电子器件等半导体器件已经广泛应用于现代科技、国民经济和日常生活中的方方面面，这些品种繁多的半导体器件与材料的外延技术密切相关。半导体纳米线结构由于其独特的光学及电学性质，在电子器件、光电探测、生物医学、传感器等方面有非常广阔的应用前景。目前，半导体纳米线主要是通过VLS方法制备，而这种方法制备出的纳米线是竖直的，需要首先把其转移到平面衬底上。因此，在晶体衬底制备高质量的平面外延半导体纳米线的工艺具有现实的应用价值和广阔的应用前景。VLS生长机制的一般要求必须有催化剂的存在，生长材料首先被蒸发成气态，在适宜的温度下，催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物，生长材料的组元不断从气相中获得，当液态中熔质组元达到过饱和后，晶须将沿着固-液界面一择优方向析出，长成线状晶体。很显然催化剂的尺寸将在很大程度上控制所生长晶须的尺寸。实验证明这种生长机制可以用来制备大量的单质、二元化合物甚至更复杂的单晶，而且该方法生长的单晶基本上无位错，生长速度快。通过控制催化剂的尺寸可以制备出大量的准一维纳米材料。液-液相-固相(SLS)生长机制SLS生长的机理有点类似于VLS机制，与VLS机制的区别仅在于，在VLS机制生长过程中，所需的原材料由气相提供；而在SLS机制生长过程中，所需的原料是从溶液中提供的，一般来说，此方法中常用低熔点金属(如In、Sn或Bi等)作为助溶剂(fluxdroplet)，相当于VLS机制中的催化剂。美国华盛顿大学Buhro小组在低温下通过SLS机制获得了高结晶度的半导体纳米线，如InP、InAs、GaAs纳米线，这种方法生长的纳米线为多晶或近单晶结构，纳米线的尺寸分布范围较宽。三、
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是，提供一种制备高质量平面半导体纳米线的方法。尤其是外延定向生长、转移和集成方法制备平面半导体纳米线。本专利技术采取以下技术方案:外延定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的方法，其步骤如下:1)对晶体衬底(如硅衬底、蓝宝石等与所生长纳米线晶格所匹配的晶体衬底)进行前期处理，去掉表面氧化层；如用HF溶液对衬底处理，暴露出硅衬底的晶体表面；2)蒸镀In、Sn等诱导金属膜，诱导In、Sn金属(如以掩模板的方式蒸镀出)生长出金属膜图案，金属膜厚度在几个纳米到几十个纳米；3)在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在温度200°C -500°C、功率2W-50W时进行处理，使金属膜收缩成为直径在几十纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；4)、继续在PECVD系统中覆盖生长一层适当厚度(几纳米至几百纳米)的非晶硅层作为前驱体介质层；5)、非晶硅层在真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火(温度在280-500°C以上)，利用IP-SLS生长模式在非晶硅层生长获得外延硅或锗纳米线。进一步的，利用阳极键合等转移技术把生长的外延硅或锗纳米线转移到其他目标衬底上。进一步的，本专利技术方案可以通过调整生长过程中等离子体处理时间功率及温度、覆盖非晶硅厚度及生长的温度条件、退火温度及时间等参数来调控外延硅或锗纳米线的生长，得到直径、长度、生长方向可调的外延硅纳米线。进一步的，诱导金属既可以是In、Bi或者Sn，也可以是其他可以诱导生长平面纳米线的金属。进一步的，外延生长的纳米线既可以是硅纳米线，也可以是以前驱体为非晶锗生长的锗纳米线以及其他可诱导生长的半导体纳米线，纳米线既可以是本征纳米线也可以是通过控制掺杂前驱体生长的掺杂纳米线。例如，在覆盖非晶硅是加入PH3，形成N型非晶硅前驱体，从而生长出N型掺杂的硅纳米线。诱导金属的图案既可以用掩膜板，也可以利用光刻技术、纳米压印技术得到。纳米的生长既可以是沿着某晶格方向的晶格外延生长，也可以是沿着某特定晶向切割后形成的图形的图形外延生长。生长外延纳米线的衬底既可以是平面衬底，也可以是平面衬底沿着某个晶向切割后的图形衬底。纳米线的转移技术既可以是阳极键合技术，也可以是其他纳米线的转移技术。本专利技术的有益效果，本专利技术采用IP-SLS方法在PECVD系统中生长外延半导体纳米线。IP-SLS方法可以生长平面纳米线，结合外延技术就可以生长出高质量的平面外延单晶半导体纳米线。外延半导体纳米线是沿着晶体衬底的特殊晶向生长的，这样就可以生长出自定向的硅纳米线。结合光刻技术定位催化颗粒的位置后就可以得到自定位、自定向的平面外延硅纳米线。由于此类纳米线与衬底的外延界面可以有效调节，此类外延平面纳米线可以进一步进行剥离和转移到其他柔性衬底之上。由于其生长方向顺延晶体特有晶向，可以方便地进行电学器件连接和集成。本项技术为基于平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器和光电器件提供了关键技术基础。在高性能场效应晶体管、传感器和光电器件的应用方面有着广阔的前景。四、【附图说明】图1:平面外延硅平面纳米线生长过程流程图。图2:Si (100)衬底上平面外延硅纳米线SEM形貌图；图3:蓝宝石衬底上平面外延硅纳米线SEM形貌图。五、【具体实施方式】为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本专利技术进一步详细说明。流程图如附图1所示。一种外延定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的技术，实施例1、Si (100)衬底上外延定向生长平面硅纳米线包括以下步骤:I)采用Si (100)衬底，用HF溶液对衬底处理，除去衬底的表面氧化层，暴露出硅衬底的晶体表面。2)利用shadow mask为掩模板蒸镀In或者Sn等诱导金属图案(厚度在几个纳米到几十个纳米，)。诱导金属的图案既可以用掩膜板，也可以利用现有的光刻技术、纳米压印技术得到。3)在PECVD系统中，在1-50W功率下利用等离子体处理技术100°C _400°C的温度下形成直径在几十纳米到几个微米之间的纳米催化颗粒。[002当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
外延定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的方法，其特征是步骤如下：1）对晶体衬底处理，去掉表面氧化层；2）蒸镀In、Sn诱导金属膜，生长出金属膜图案，金属膜厚度在几个纳米到几十个纳米；3）在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在温度200℃‑500℃、功率2W‑50W时进行处理，使金属膜收缩成为直径在几十纳米到几微米之间的准纳米金属催化颗粒；4）继续在PECVD系统中覆盖生长一层几纳米至几百纳米的非晶硅层作为前驱体介质层；5）非晶硅层在真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火、温度在280‑500 oC，利用IP‑SLS生长模式在非晶硅层生长获得外延硅或锗纳米线。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，许明坤，薛兆国，王吉米，李成栋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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