一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ‑Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法。其步骤包括：通过在Si/SiO2衬底上沉积与现今硅基微电子工艺相兼容的Pd等高熔点金属催化剂薄膜，通过实现气固固生长模式控制Ⅲ‑Ⅴ族半导体纳米线的生长方向。所得的纳米线不仅生长方向可控，其长度长、直径波动范围小、晶体质量高、载流子迁移率达理论极限。

A Method for Controlling the Growth Direction of High Performance III-V Semiconductor Nanowires Using Gas-Solid Growth Mode

【技术实现步骤摘要】
一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法
本专利技术涉及一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的技术，属于一维纳米线的可控生长

技术介绍
Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线由于其独特的物理化学特性，已经成为了下一代高性能微电子光电器件研究领域的热点。在众多的光电器件研究领域，载流子迁移率是最重要的本征参数之一。半导体纳米线的迁移率与多种因素有关，例如纳米线的生长方向、结晶质量及表面态等。因为相异的极性、载流子有效质量及载流子平均自由时间等，不同生长方向的纳米线其载流子迁移率不同。控制高迁移率的生长方向是Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线研究的难点。目前，纳米线的生长模式主要有两种，气液固生长模式和气固固生长模式。在气液固生长模式中，生长纳米线的催化剂熔点低于纳米线生长的温度，其一直处于液体状态，无优选的最低能量晶面，随机外延纳米线，从而导致纳米线生长方向不可控。然而在气固固生长模式中，高熔点金属催化剂一直以固态晶体存在，通过调控其最低能量晶面，可方向选择性外延纳米线，控制纳米线的生长方向。可以看出，实现气固固生长模式的关键在于选择合适的金属催化剂。
技术实现思路
报道的万能催化剂Au一般都是通过气液固的生长模式合成纳米线，其催化合成的Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向不可控。针对现有技术的不足，本专利技术通过选择高熔点金属催化剂Pd、Ni、Cu，提供一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，该方法可有效控制Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长方向、长度及直径波动范围，并显著提高其载流子迁移率。本专利技术的技术方案如下：一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，包括步骤如下：提供衬底，所述衬底上沉积高熔点金属催化剂薄膜，以及；在保护气存在下，提供Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料，在生长温度条件下，生长纳米线。根据本专利技术，优选的，所述的衬底为Si/SiO2衬底。根据本专利技术，优选的，所述的高熔点金属催化剂薄膜为Pd、Ni、Cu，金属催化剂薄膜厚度为0.5nm或1nm。根据本专利技术，优选的，所用Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料包括GaSb或InP，优选粉末状态，纯度为99.999％，粒径小于100目。根据本专利技术，优选的，所述的保护气为H2，纯度为99.999％。根据本专利技术，优选的，所述纳米线生长机理为气固固生长机理。根据本专利技术，优选的，Ⅲ-Ⅴ族源材料蒸发温度范围为690-800℃，衬底纳米线生长温度范围为510-600℃。根据本专利技术，优选的，升温速率小于60℃/min。根据本专利技术，优选的，Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料和衬底之间使用表面活性剂进行辅助生长，优选的表面活性剂为S粉末。根据本专利技术，利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，一种优选的实施方案，包括步骤如下：(1)在Si/SiO2衬底上通过电子束蒸发或热蒸发沉积高熔点金属催化剂薄膜，并将制备好的衬底置于双温区水平管式炉下游区的中间，然后将盛有Ⅲ-Ⅴ族半导体粉末源材料的氮化硼坩埚放置于双温区水平管式炉的上游区，距离衬底15cm处，；盛有表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚放置于源材料与衬底中间，距离衬底9cm处；所述金属催化剂薄膜材料为Pd、Ni、Cu，金属催化剂薄膜厚度为0.5nm或1nm；(2)将石英管抽真空，直至气压达到10-3Torr，再通入保护气H20.5小时；(3)保持保护气的通入，并将Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料与衬底加热至所需温度，实现Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长；所用Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料粉末包括GaSb或InP，纯度为99.999％，粒径小于100目；(4)生长完成后，停止源材料与衬底的加热程序，并在保护气流下冷却至室温。本专利技术通过在Si/SiO2衬底上沉积与现今硅基微电子工艺相兼容的Pd等高熔点金属催化剂薄膜，通过实现气固固生长模式控制Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长方向。所得的纳米线不仅生长方向可控，其长度长、直径波动范围小、晶体质量高、载流子迁移率达理论极限。本专利技术具有以下优点：本专利技术采用的方法简单便捷，易于实现，结果稳定，收益显著，使得生长的Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线有着统一的高迁移率生长方向、较小的纳米线直径波动范围、载流子迁移率达理论极限，有望实现纳米线在高性能光电子器件中的应用。附图说明图1是气液固生长模式和气固固生长模式的对比图。图2是试验例1中采用不同催化剂生长的GaSb纳米线的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图。图3是试验例2中GaSb纳米线的扫描电子显微镜(SEM)图、直径分布统计对比图和空穴迁移率峰值分布统计对比图。图4是试验例3中InP纳米线的SEM图、HRTEM图和电子迁移率峰值分布统计图。具体实施方案为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。实施例1、采用Pd金属催化剂生长GaSb纳米线。在Si/SiO2衬底上通过电子束蒸发或热蒸发沉积1nm厚的Pd催化剂薄膜，并将制备好的衬底置于双温区水平管式炉下游区的中间,然后分别将盛有GaSb粉末和S粉末的氮化硼坩埚放置于距离衬底15cm和9cm处的上游区。然后将石英管抽真空，直至气压达到10-3Torr并通30分钟H2保护气，气流量为300sccm。保持H2的通入，并将源材料与衬底分别加热至750℃和585℃，实现GaSb纳米线的生长，生长完成后，同时停止源材料与衬底的加热程序，并在H2流下冷却至室温。气液固生长模式和气固固生长模式的对比图如图1所示。由图1可知，对于气固固生长模式，催化剂Pd在源材料前驱体的注入下会与Ⅲ族原子Ga形成Pd5Ga4催化剂，该催化剂熔点高于纳米线生长的温度，一直以圆柱体的固态晶体存在，有能量最低晶面，因此可方向选择性外延纳米线，控制纳米线的生长方向。而传统的气液固生长模式，催化剂Au与源材料前驱体形成的催化剂熔点低于纳米线生长的温度，一直处于液体状态，无能量最低晶面，随机外延纳米线，从而导致纳米线生长方向不可控。实施例2、采用Pd金属催化剂生长InP纳米线。在Si/SiO2衬底上通过电子束蒸发或热蒸发沉积0.5nmPd催化剂薄膜，并将制备好的衬底放置于双温区水平管式炉下游区的中间,然后将盛有InP粉末的氮化硼坩埚放置于距离衬底15cm处的上游区，然后将石英管抽真空，直至气压达到10-3Torr并通30分钟H2保护气，气流量为100sccm。保持H2的通入，并将源材料在8min内加热至710℃，衬底在7min内加热至530℃，实现InP纳米线的生长，生长完成后，同时停止源材料与衬底的加热程序，并在H2流下冷却至室温。催化剂Pd在源材料InP前驱体的注入下会与Ⅲ族原子In形成PdIn催化剂，该催化剂熔点高于纳米线生长温度，以规则的固态晶体存在，有能量最低晶面，因此纳米线可选择性沿着高迁移率方向外延生长。对比例1如实施例1所述，不同的是：采用1nm厚的Au催化剂薄膜。试验例1对比例1中得到的Au金属催化剂生长的GaSb纳米线、测试实施例1中得到的Pd金属催化剂生长的GaSb纳米线的HRTEM图，如图2所示。可知，使用Au催化剂生长的GaSb纳米线的催化剂尖端为液体，无优选的最低能量晶面，随机外延纳米线，从而导致纳米线生长方向不可控。而使用Pd催化剂生长的GaSb纳米线的催化剂尖端为形貌规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ‑Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，包括步骤如下：提供衬底，所述衬底上沉积高熔点金属催化剂薄膜，以及；在保护气存在下，提供Ⅲ‑Ⅴ族半导体源材料，在生长温度条件下，生长纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，包括步骤如下：提供衬底，所述衬底上沉积高熔点金属催化剂薄膜，以及；在保护气存在下，提供Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料，在生长温度条件下，生长纳米线。2.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，所述的衬底为Si/SiO2衬底。3.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，所述的高熔点金属催化剂薄膜为Pd、Ni、Cu，优选的金属催化剂薄膜厚度为0.5nm或1nm。4.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，所用Ⅲ-Ⅴ族半导体源材料包括GaSb或InP，优选粉末状态，纯度为99.999％，粒径小于100目。5.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，所述的保护气为H2，纯度为99.999％。6.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，所述纳米线生长机理为气固固生长机理。7.根据权利要求1所述的利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向的方法，其特征在于，Ⅲ-Ⅴ族源材料蒸发温度范围为690-800℃，衬底纳米线生长温...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨再兴，郭亚楠，孙嘉敏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37