线的气相合成制造技术

本发明专利技术提供一种用于形成线(1)的方法和系统，其使得能够大规模过程以及具有与使用基于基底的合成所形成的线相当的高结构复杂性和材料品质。在反应器内线(1)由悬浮于气体中的催化种子颗粒(2)生长。由于模块方法，在连续过程中可形成具有不同构造的线(1)。监测和/或分类颗粒和/或形成的线的原位分析使得能够进行有效的过程控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】线的气相合成专利技术的
本专利技术涉及线(wire)的形成，特别涉及在不存在基底时，线的气相合成。气相合成适用于不同的材料，特别是半导体材料。专利技术背景小的伸长的物体，通常称为纳米线(nanowire)、纳米棒、纳米晶须等，并且通常包含半导体材料，迄今为止使用以下路线之一来合成：-液相合成，例如借助胶态化学，如在Alivisatos等的US2005/0054004中举例说明的，-由基底外延生长，含有或不含催化颗粒，如Samuelson等分别在WO2004/004927A2和WO2007/10781Al中呈现的研究中举例说明的，或者-借助激光辅助的催化生长过程的气相合成，如在Lieber等的WO2004/038767A2中举例说明的。使用这些路线得到的线的性质在下表中比较。材料品质宽度/长度和尺寸控制结构复杂性可量测性/生产成本液相高薄/短中等控制低高/高基于基底的高全部/全部高控制高低/高激光辅助的中等薄/长中等控制低中等/中等因此，合成路线的选择是在不同线性质和生产成本之间的折衷。例如基于基底的合成提供有利的线性质，但是由于线批量形成，因此过程的可量测性以及因此生产成本和处理量有限。专利技术概述鉴于前述，本专利技术的一个目的是提供用于形成线的方法和系统，其使得能够大规模过程以及具有与使用基于基底的合成所形成的线相当的结构复杂性和材料品质。所述方法包括以下基本步骤：-提供悬浮于气体中的催化种子颗粒(catalyticseedparticles)，-提供包含待形成的线的组分的气态前体，-使气体-颗粒-前体混合物经过反应器，通常为管式炉，和-在气相合成中，由催化种子颗粒生长线，所述气相合成包括气态前体同时将催化种子颗粒悬浮于气体中。在本专利技术的第一方面，通过在各线的生长期间改变生长条件，可提供具有不同构造的线，例如由基本上相同的材料制成的线、单极性线或更复杂的线，例如具有轴向pn-或pin-结的线、具有径向pn-或pin-结的线、异质结构线等，使得线片段(wiresegment)在先前形成的线部分上在其纵向方向轴向生长，或者壳(shell)在先前形成的线部分上在其径向方向径向生长，或者材料作为轴向和径向生长的组合而加入。通过控制与以下相关的参数中的一个或多个，在反应区之间生长条件可变化：前体组成、前体摩尔流量、载气流、温度、压力或掺杂剂。该变化实际上通过在两个或更多个区中进行线生长而实现，所述区可保持在不同的温度，并且借助质量流量控制器或类似的器件，向其中注射合适的生长或掺杂剂前体分子。通过控制与以下相关的参数中的一个或多个，生长条件也可随着时间变化：前体组成、前体摩尔流量、载气流、温度、压力或掺杂剂，或者催化种子颗粒的尺寸分布，使得线性质可不时变化，以生产具有一定范围的不同线的批料，或者生产独特的均质批料。催化种子颗粒可作为气溶胶提供，所述气溶胶在引发线生长之前或期间与气态前体混合。备选地，催化种子颗粒通过由包含至少一种催化颗粒的组分的气态反应物形成而形成，从而使得能够自身-催化线生长。优选地，本专利技术的方法包括提供携带催化种子颗粒的气体流，并且随后使部分或完全形成的线通过一个或多个反应器，每个反应器包含一个或多个反应区。从而在其上形成的催化种子颗粒和任何线序贯流动通过一个或多个反应区，其中通过向线加入材料或蚀刻线，每个反应区有助于线生长。这使得能够在生长过程中为每个步骤提供最佳条件。线的直径部分地由催化颗粒的尺寸决定。因此，通过选择适当尺寸或尺寸分布的催化种子颗粒和通过使生长条件适应催化种子颗粒的尺寸，可控制线的直径。在第二反应炉或反应区的情况下，在第一反应器中形成的具有附着的催化颗粒的预制半导体线上发生连续的线生长。这些线充当飞行基底(flyingsubstrate)，因此比在第一区中更容易发生生长，其中线成核在种子颗粒上发生。因此，在随后的炉中线生长更有效并且在较低的温度下发生。取决于生长条件(反应器温度和压力、前体类型和浓度、种子颗粒/线尺寸和浓度以及反应时间)，随后的线生长在轴向或径向方向发生或作为二者的组合。在本专利技术的一方面，所述方法包括向气溶胶流中加入HC1或其它蚀刻卤化物化合物，以模仿在氢化物气相外延HVPE中的条件，防止在反应器的热壁上生长。HVPE来源也可用于本专利技术，其中金属族-III原子作为氯化物被携带至反应区。在本专利技术的另一方面，借助微波、红外光或其它电磁辐射加热种子颗粒/线，代替热壁管式炉或作为热壁管式炉的补充。这让气体保持或多或少的冷却，使得气相反应的量最小化，同时允许在热的颗粒/线表面上生长。在本专利技术的又一方面，所述方法包括原位分析线或部分生长的线，以得到期望的线性质。用于控制线生长的手段(means)包括控制催化种子颗粒的尺寸，以及通过在以上提及的一个或多个反应区中控制与以下相关的参数中的一个或多个来控制生长条件：前体组成、前体摩尔流量、载气流、温度、压力或掺杂剂。原位分析提供用于在控制回路中得到反馈(这在例如基于基底的合成中不可得到)的手段。快速检测与期望性质的任何偏差，并且可调节生长条件，而不显著延迟或不必丢弃显著量的线。用于原位分析的手段包括用于检测催化种子颗粒和/或所形成线的尺寸的手段，例如差示迁移率分析仪(differentialmobilityanalyzer,DMA)、照明和检测来自形成的线的发光、吸收光谱学、拉曼光谱学和飞行X-射线粉末衍射(X-raypowderdiffractionon-the-fly)等。除了可能“实时”控制线生长以外，原位分析还可用于选择性分类具有不同性质(例如尺寸)的线。虽然就线而言进行描述，但是应理解，原位分析也可对催化种子颗粒或部分形成的线进行。在本专利技术的又一方面，所述方法包括自携带线的气体收集线。线可收集和储存用于后期使用或者可将它们转移至待在一些结构中掺入的不同载体或基底以形成器件。为了利用线的连续流，线可在连续过程中在基底上沉积和/或对准，例如卷对卷制程(roll-to-rollprocess)。通过在基底之上施用的电场和进一步通过使线带电荷以及任选也使基底带电荷，可辅助沉积和/或对准。通过以预定的模式使基底局部带电荷，线可在基底上的预定位置中沉积。因此，本专利技术提供一种用于在基底上制造对准的线的连续的高处理量方法，任选具有“实时”反馈控制，以得到高品质线。通过本专利技术的方法生产的线可用于实现基于线的半导体器件，例如太阳能电池、场效晶体管、发光二极管、热电元件、场致发射器件、用于生命科学的纳米-电极等，其在许多情况下优于基于平面技术的常规器件。虽然不局限于纳米线，但通过本专利技术方法生产的半导体纳米线相对于常规的平面加工具有一些优点。虽然使用平面技术制造的半导体器件存在某些局限，例如在连续的层之间的晶格失配，但是根据本专利技术形成的纳米线在选择连续的片段或壳中的半导体材料方面提供更大的灵活性，因此提供更大的可能性来适应纳米线的带结构。纳米线潜在地还具有比平面层较低的缺陷密度，并且通过用纳米线替换半导体器件中的平面层的至少部分，可减少缺陷相关的局限性。此外，纳米线提供具有低缺陷密度的表面作为模板用于进一步外延生长。与基于基底的合成相比，不必考虑基底和线之间的晶格失配。本专利技术的设备包括至少一个用于生长线的反应器，所述反应器包含一个或多个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.05.11 SE 1050466-01.一种用于形成纳米线(1)的方法，所述方法包括：-提供悬浮于气体中的催化种子颗粒(2)，-提供包含待形成的纳米线(1)的组分的气态前体(3，4)，所述气态前体(3，4)的至少一种是SiH4、DEZn、V族材料前体或III族材料前体，和-在催化种子颗粒的表面处制造晶种，和-在气相合成中，由形成的晶种外延生长半导体纳米线(1)，所述气相合成包括气态前体(3，4)同时将催化种子颗粒悬浮于气体中。2.权利要求1的方法，其中所述纳米线(1)在连续过程中形成。3.权利要求1-2中任一项的方法，其中形成的纳米线(1)被气体携带。4.权利要求1的方法，其中所述纳米线的直径由所述催化种子颗粒的尺寸和/或所述晶种的尺寸确定。5.权利要求1的方法，其中在各纳米线(1)的生长期间，通过控制与以下相关的参数中的一个或多个，来改变生长条件：前体组成、前体摩尔流量、载气流、温度、压力或掺杂剂，使得纳米线片段在先前形成的纳米线部分上在其纵向方向轴向生长，或者壳在先前形成的纳米线部分上在其径向方向径向生长，或者材料作为轴向和径向生长的组合而加入。6.权利要求5的方法，其中改变生长条件，以得到关于各纳米线(1)内的组成、掺杂、传导性类型的异质结构。7.权利要求5-6中任一项的方法，其中通过控制与以...

【专利技术属性】
技术研发人员：L萨穆尔森，M霍伊林，M马格努森，K德珀特，
申请(专利权)人：昆南诺股份有限公司，
类型：
国别省市：