一种直立GaAs纳米线的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种直立GaAs纳米线的制备方法。根据Young氏公式得到Ga液滴催化剂与Si衬底表面接触角与衬底表面氧化层厚度的关系，本发明专利技术采用HF酸对Si衬底表面进行处理，使Si衬底表面变粗糙，并且Si衬底表面的氧化层被部分去除，该方法通过利用HF酸对Si衬底表面处理实现对表面氧化层厚度的控制，通过调节氧化层厚度及粗糙的表面形貌调控Ga催化剂液滴与衬底表面的接触角，使Ga催化剂液滴与衬底表面有合适的接触夹角，实现抑制多重孪晶生长，使GaAs纳米线能够直立生长，解决现有自催化外延生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，为实现高质量、高性能GaAs纳米线器件奠定材料基础。

A preparation method of erect GaAs nanowires

The invention discloses a method for preparing upright GaAs nanowires. The relationship between the surface contact angle of the Ga droplet catalyst and the surface of the Si substrate and the thickness of the oxide layer on the substrate surface is obtained according to the Young's formula. The invention uses HF acid to process the surface of the Si substrate, and makes the surface of the Si substrate rough, and the oxidation layer on the surface of the Si substrate is partially removed. The method is realized through the use of HF acid to the surface treatment of the Si substrate. By controlling the thickness of the surface oxide layer, the contact angles between the Ga catalyst droplets and the substrate surface are regulated by adjusting the thickness of the oxide layer and the rough surface morphology, so that the droplets of the Ga catalyst have a suitable contact angle with the substrate surface, so that the growth of multiple twins can be suppressed and the GaAs nanowires can grow erect to solve the existing autocatalytic epitaxy. There are multiple twins in the growth of GaAs nanowires, the growth direction of nanowires is difficult to control, a large number of inclined nanowires appear, and the problem of the application of GaAs nanowires in the devices is limited, which lays the material foundation for the realization of high quality and high performance GaAs nanowire devices.

【技术实现步骤摘要】
一种直立GaAs纳米线的制备方法
本专利技术涉及半导体材料领域，特别涉及III-V族半导体纳米材料制备领域中直立GaAs纳米线的一种制备方法。
技术介绍
纳米线是一种在横向上被限制在纳米量级，而纵向没有限制的一维结构，由于在截面方向两个维度能级分裂，这使得其相对于体材料在力学、电学、光学等方面表现出完全不同的性质。同时，在结构设计上可以形成轴向与径向的异质结，其本身也可以作为一个独立的器件，因此使得这种纳米结构成为一种很有前景的纳米级器件的构造模块，并成为研究的热点。III-V族半导体纳米材料由于具有独特的物理性质，并在纳米器件方面具有广阔的应用潜力而备受人们的关注。GaAs是III-V族化合物半导体材料之一，是直接带隙半导体材料，具有高的载流子迁移率、有效质量小、优异的电学和光学性质等特点，这使GaAs纳米线成为制备电子器件和光电子器件的一种理想材料，目前GaAs纳米线在LED、激光器、探测器、太阳能电池、热电器件等方面获得了广泛的研究。GaAs纳米线在生长方面发展了一系列制备方法，包括化学气相沉积(CVD)、金属有机物气相沉积(MOVPE)、分子束外延(MBE)等。纳米线材料的制备总体上可分为自上而下和自下而上两种，其中自下而上是通过材料外延的方式让组分原子自动有序地去排列构造所需要的低维纳米线结构，从而避免了工艺限制，而通过自催化方法进行纳米线材料生长属于自下而上的一种。对于自催化生长的GaAs纳米线，其基本原理是在衬底表面沉积Ga元素，使得衬底表面形成了Ga液滴小球，并成为Ga原子和As原子的收集中心，进一步通入Ga和As，随着Ga-As合金中As组分的增加并逐渐达到超饱和状态，GaAs在界面处析出并形成GaAs纳米线。这种自催化方式避免了异质金属污染纳米线，同时，在减少纳米线的缺陷方面更具优势，最适合于大规模纳米线电子学器件的应用，是最具研究前景的纳米线制备方式之一。目前，通过不同的生长技术可以实现GaAs纳米线材料的生长，在GaAs纳米线材料制备技术中以自催化生长方式居多，但实现GaAs纳米线在衬底上与衬底垂直生长，获得直立的GaAs纳米线是自催化外延技术存在的一个难题，自催化生长GaAs纳米线由于存在多重孪晶，使得纳米线的生长方向难以控制，进而出现大量倾斜的纳米线，限制了纳米线在器件中的应用。因此，如何实现直立生长的GaAs纳米线，实现直立GaAs纳米线在器件中的应用是首要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法通过用HF酸溶液对Si衬底表面的自然氧化层进行刻蚀，使Si衬底获得粗糙的表面形貌，对Si衬底表面的氧化层进行刻蚀，通过用HF酸刻蚀处理实现对Si衬底表面氧化层厚度的控制，通过改变氧化层的厚度，并结合粗糙的表面形貌来调控Ga催化剂液滴与衬底的接触角度，使Ga催化剂液滴与衬底表面具有合适的接触夹角，最终实现抑制多重孪晶的生长，使GaAs纳米线垂直于衬底直立生长，解决现有自催化外延技术生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜的纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，为实现高质量、高性能GaAs纳米线器件奠定材料基础。本专利技术提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法通过控制Si衬底表面氧化层的厚度及粗糙的表面形貌调控Ga催化剂液滴与衬底的接触夹角，根据Young氏公式可知，衬底与催化剂接触角与衬底表面氧化层厚度有关，通过改变Si衬底氧化层厚度，将Si衬底氧化层用HF酸刻蚀处理，使Si表面氧化层厚度为0.8nm，获得垂直生长的GaAs纳米线。本专利技术提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法中利用HF酸对Si衬底表面氧化层处理的具体步骤为：1、将HF：H2O以1:10的比例配制刻蚀液，刻蚀条件为室温，在日光灯照射的环境条件下进行刻蚀；2、将Si衬底放入配制好的刻蚀液中对Si衬底表面的自然氧化层进行刻蚀，刻蚀时间为2s；3、将Si衬底从刻蚀液中取出，利用椭偏仪测量表面氧化层膜厚，当氧化层厚度较厚，刻蚀时间较少，没有达到预期要求时，将Si衬底放入刻蚀液中继续刻蚀，直至Si表面氧化层厚度达到本专利技术实现直立GaAs纳米线生长所要求的0.8nm厚度要求；4、将刻蚀处理的Si衬底放入生长设备中进行直立的GaAs纳米线的生长。本专利技术提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法用分子束外延技术生长GaAs纳米线，生长机制采用自催化的生长方式，催化剂为Ga液滴，当Ga液滴催化剂在Si衬底表面生成时，停顿80s，使Ga液滴能够充分分散，以保证液滴大小，从而使Ga液滴催化剂与经过HF酸刻蚀处理的Si衬底表面有一个合适的表面接触角度，本专利技术通过对Si衬底表面的自然氧化层刻蚀使Si衬底表面变粗糙，通过HF酸刻蚀处理控制Si衬底表面氧化层的厚度，实现对Ga液滴与Si衬底表面接触角的调控，最终实现在分子束外延生长GaAs纳米线时GaAs纳米线直立生长的目的，达到本专利技术所提出的制备直立的GaAs纳米线的有益效果。附图说明图1为本专利技术实现直立GaAs纳米线制备方法的技术方案图。图2为本专利技术制备的直立GaAs纳米线材料SEM图。具体实施方式下面通过附图和具体实施例，对本专利技术所提出的这种实现直立GaAs纳米线材料制备的方法做进一步的详细描述，利用本专利技术所提出的这种方法可以制备出与Si衬底垂直的直立GaAs纳米线材料，所制备的直立的GaAs纳米线SEM图如附图2所示。本专利技术提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法通过用HF酸溶液对Si衬底表面的自然氧化层进行刻蚀，使Si衬底表面变粗糙，同时，实现对Si衬底表面氧化层厚度的控制，通过改变氧化层的厚度结合Si衬底粗糙的表面形貌调控Ga催化剂液滴与衬底表面的接触角度，使Ga催化剂液滴与衬底表面具有合适的接触夹角，最终达到抑制多重孪晶的生长，实现GaAs纳米线的垂直生长，解决现有自催化外延技术生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜的纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，为实现高质量、高性能GaAs纳米线器件奠定材料基础。下面以衬底为Si(111)衬底，生长技术为分子束外延技术，所用源材料为Ga源、As源，刻蚀处理Si衬底所用溶液为HF酸溶液、所生长材料为GaAs纳米线，这样的实施例进行具体详细的描述。图1所示为本专利技术实现直立GaAs纳米线制备方法的技术方案图，Si衬底(1)表面有自然氧化层(2)，用HF酸对Si衬底表面自然氧化层进行刻蚀，获得粗糙的表面和氧化层合适厚度的Si衬底表面(3)，使Ga液滴催化剂与经过HF酸处理的Si衬底表面有一个合适的表面接触角度，在进行GaAs纳米线生长时获得直立的GaAs纳米线(5)。图2所示为本专利技术外延生长得到的直立GaAs纳米线SEM图，图中可以看到本专利技术已实现直立GaAs纳米线的制备。实现本实施例中直立GaAs纳米线材料制备的具体实施步骤如下：步骤一：Si(111)衬底清洗处理，首先，将HF：H2O以1:10的比例配制刻蚀液，刻蚀条件为室温，在日光灯照射环境下刻蚀，然后，将Si衬底放入配制好的刻蚀液中对Si衬底表面的自然氧化层进行刻蚀，刻蚀时间为2s，经过2s的HF酸刻蚀后将Si衬底从刻蚀液中取出，利用椭偏仪测量表面氧化层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直立GaAs纳米线的制备方法，其特征在于，该方法通过采用HF酸对Si衬底表面进行处理，使Si衬底表面变粗糙，并且Si衬底表面的氧化层被部分去除，在经过HF酸对Si衬底表面刻蚀处理，实现对Si衬底表面氧化层厚度控制的目的，调节Si衬底表面氧化层厚度及Si衬底表面的粗糙度，从而间接实现对Ga催化剂液滴与Si衬底表面的接触角的调节，使Ga催化剂液滴与Si衬底表面有合适的接触夹角，实现抑制多重孪晶的生长，使GaAs纳米线能够直立生长，解决现有自催化外延生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，所述Ga液滴催化剂与Si衬底表面之间合适的接触夹角可以实现直立GaAs纳米线的生长，该方法中所述HF酸对Si衬底表面自然氧化层的处理，当Si衬底表面的氧化层厚度为0.8nm时完成Si衬底表面自然氧化层的HF酸刻蚀处理，所述Si衬底表面自然氧化层被刻蚀为0.8nm厚度时可以使Ga液滴催化剂与Si衬底表面有合适的接触角度，当进行GaAs纳米线材料生长时，Ga催化剂液滴与Si衬底表面合适的接触夹角使GaAs纳米线直立的生长，所述Ga液滴催化剂在Si衬底表面形成后，停顿80s，所述停顿的80s可以使Ga液滴能够充分分散，保证液滴合适的大小，使Ga液滴催化剂与经过HF酸刻蚀处理的Si衬底表面有一个合适的表面接触角度，所述的这个合适的表面接触角度实现GaAs纳米线直立的生长。...

【技术特征摘要】
1.一种直立GaAs纳米线的制备方法，其特征在于，该方法通过采用HF酸对Si衬底表面进行处理，使Si衬底表面变粗糙，并且Si衬底表面的氧化层被部分去除，在经过HF酸对Si衬底表面刻蚀处理，实现对Si衬底表面氧化层厚度控制的目的，调节Si衬底表面氧化层厚度及Si衬底表面的粗糙度，从而间接实现对Ga催化剂液滴与Si衬底表面的接触角的调节，使Ga催化剂液滴与Si衬底表面有合适的接触夹角，实现抑制多重孪晶的生长，使GaAs纳米线能够直立生长，解决现有自催化外延生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，所述Ga液滴催化剂与Si衬底表面之间合适的接触夹角可以实现直立GaAs纳米线的生长，该方法中所述HF酸对Si衬底表面自然氧化层的处理，当Si衬底表面的氧化层厚度为0.8nm时完成Si衬底表面自然氧化层的HF酸刻蚀处理，所述Si衬底表面自然氧化层被刻蚀为0.8nm厚度时可以使Ga液滴催化剂与Si衬底表面有合适的接触角度，当进行GaAs纳米线材料生长时，Ga催化剂液滴与Si衬底表面合适的接触夹角使GaAs纳米线直立的生长，所述Ga液滴催化剂在Si衬底表面形成后，停顿80s，所述停顿的80s可以使Ga液滴能够充分分散，保证液滴合适的大小，使Ga液滴催化剂与经过HF酸刻蚀处理的Si衬底表面有一个合适的表面接触角度，所述的这个合适的表面接触角度实现GaAs纳米线直立的生长。2.如权利要求1所述的一种直立GaAs纳米线的制备方法，其特征在于，该方法利用Ga液滴作为催化剂，自催化的生长机制进行生长，利用HF酸处理Si衬底表面，使Si衬底表面的自然氧化层被刻蚀，本方法中Si衬底表面的自然氧化层被刻蚀后氧化层的厚度为0.8nm，Ga液滴催化剂与该氧化层厚度的Si衬底表面有一个接触角度，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：方铉，魏志鹏，贾慧民，唐吉龙，牛守柱，楚学影，李金华，王晓华，马晓辉，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22