一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法
【专利摘要】本发明提供一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法，其特征是：通过在衬底上镀金属薄膜，接着利用退火工艺并通入反应气体，使得金属薄膜转变为半导体晶体薄膜，该晶体薄膜可作为缓冲层用于生长高质量的半导体纳米线。本发明具有工艺简单以及低成本的特点。
【专利说明】一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体纳米线的生长方法，可用于制备纳米线器件。
【背景技术】
[0002] 纳米技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，半导体纳米线由于其独 特的一维量子结构，被认为是未来微纳器件的基本结构[Mater. Today，9(2006) 18-27]。 近年来，半导体纳米线的研究工作取得很大进展，其应用领域包括集成电路[Nature， 470(2011)240-244]、晶体管[Nano Letters，8 (2008)925-930]、激光器[Science， 292 (2001) 1897-1899]、生物传感器[Analytical Chemistry，83 (2011) 1938-1943]、以及太 阳能电池 [Nano Lett. ,10(2010) 1082-1087]等。
[0003] 尽管半导体纳米线具有很重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化 还亟需解决一系列问题，其中的关键问题之一是纳米线的可控生长，即如何在衬底上生长 垂直排列、高密度、以及高晶体质量的半导体纳米线。纳米线的生长方向和晶体质量通常 取决于衬底材料的晶体特性和表面状况。研究表明：纳米线与衬底之间的晶格失配会导 致纳米线无序生长[Appl.Phys. Lett. ,90(2007)043115];用于引导纳米线生长的催化剂 与衬底表面发生共溶，导致催化剂扩散到衬底内部，降低纳米线的生长质量[Nano Lett.， 8(2008)4087]。
[0004] 为此，人们采用了缓冲层技术（即在衬底表面预先生长晶体薄膜作为缓冲层， 接着生长纳米线），由于缓冲层可以改变衬底表面的特性，还可以将衬底的晶格常数过 渡到纳米线的晶格常数，因此引入缓冲层大幅改善了纳米线的生长质量[Nano Lett.， 10(2010)64-68]。
[0005] 但是，在衬底表面生长晶体薄膜作为缓冲层，需要采用半导体外延生长技术，如金 属有机物化学气相外延（M0CVD)和分子束外延（MBE)等，生长设备昂贵、工艺复杂。因此， 研发简易的晶体薄膜制备方法，实现高质量的半导体纳米线生长，是本发明的创研动机。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在解决半导体纳米线的可控生长问题，提出了"一种用于半导体纳米线 生长的缓冲层制备方法";本发明通过在衬底上镀金属薄膜，接着利用退火工艺并通入反应 气体，使得金属薄膜转变为半导体晶体薄膜，该晶体薄膜可作为缓冲层用于生长高质量的 半导体纳米线。本发明具有工艺简单以及低成本的特点。
[0007] 发明人对半导体纳米线的生长工艺有着深入的研究[Nano Lett. ,10(2010)64]， 从而启发了本发明的产生。本发明可以按以下方式实现：
[0008] 首先，在衬底表面镀金属薄膜（图1所示）；
[0009] 接着，将带有金属薄膜的衬底，置于退火炉中、并通入反应气体。在一定的温度下， 该气体会与金属薄膜反应生成半导体晶体薄膜（图2所示）；
[0010] 然后，在覆盖了半导体晶体薄膜的衬底上，生长纳米线（图3所示）；其中该薄膜 作为缓冲层，可以提高纳米线的生长质量（如生长方向垂直有序、以及降低晶体缺陷等） [0011] 本发明中在衬底上镀金属薄膜，可以采用蒸发、溅射或涂覆的办法。
[0012] 本发明中的金属薄膜，可以是单种材料或是合金材料。
[0013] 本发明中的金属薄膜，可以是由两种或两种以上的材料构成的多层结构（图4所 示）。
[0014] 本发明中的衬底，优选自硅、GaAs、InP、SiC和A1203晶体。
[0015] 本发明中的金属薄膜材料，优选自Ti、Al、Ga、In和B。
[0016] 本发明中的反应气体，优选自NH3、PH3、AsH 3和02。
[0017] 本发明中的纳米线材料，优选自GaAs、InP、GaN、InGaAs、InGaN和AlGaN。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的 综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。
[0019] 图1在衬底表面镀了金属薄膜。
[0020] 图2衬底表面的半导体晶体薄膜。
[0021] 图3在具有晶体薄的衬底上生长纳米线。
[0022] 图4在衬底表面镀了具有多层结构的金属薄膜。
【具体实施方式】
[0023] 为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本 发明的【具体实施方式】。
[0024] 例 1
[0025] 首先，在硅衬底表面蒸发一层铝薄膜（图1);
[0026] 其次，将带有铝薄膜的硅衬底置于石英退火炉中，并通入氨气；在高温下，氨气和 铝薄膜反应生成A1N晶体薄膜（图2);
[0027] 最后，在硅衬底的A1N薄膜表面生长GaN纳米线（图3)。
[0028] 例 2
[0029] 首先，利用磁控溅射，在A1203衬底表面依次镀Ti和In薄膜，形成双层金属薄膜结 构（图4);
[0030] 其次，将带有金属薄膜的A1203衬底置于石英退火炉中，并通入氨气；在高温下，氨 气和薄膜反应生成TiN和InN晶体薄膜；
[0031] 最后，在A1203衬底的InN薄膜表面生长InN纳米线（图3)。
[0032] 例 3
[0033] 首先，利用涂覆工艺，在GaAs衬底表面依次镀B和Ga薄膜，形成双层金属薄膜结 构（图4);
[0034] 其次，将带有金属薄膜的GaAs衬底置于石英退火炉中，并通入氨气；在高温下，氨 气和薄膜反应生成BN和GaN晶体薄膜；
[0035] 最后，在GaAs衬底的GaN薄膜表面生长InN纳米线（图3)。
[0036] 以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变 换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内， 特此说明。
【权利要求】
1. 一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法，其特征是：通过在衬底上镀金属薄 膜，接着利用退火工艺并通入反应气体，使得金属薄膜转变为半导体晶体薄膜，该晶体薄膜 可作为缓冲层用于生长高质量的半导体纳米线。
2. 权利要求1所述的在衬底上镀金属薄膜，可以采用蒸发、溅射或涂覆的办法。
3. 权利要求1和2所述的金属薄膜，可以是单种材料或是合金材料。
4. 权利要求1和2所述的金属薄膜，可以是由两种或两种以上的材料构成的多层结构。
5. 权利要求1和2所述的金属薄膜，优选自Ti、Al、Ga、In和B材料。
6. 权利要求1所述的衬底，优选自硅、GaAs、InP、SiC和A1203晶体。
7. 权利要求1所述的的反应气体，优选自NH3、PH3、AsH3和0 2。
8. 权利要求1所述的纳米线材料，优选自GaAs、InP、GaN、InGaAs、InGaN和AlGaN。
【文档编号】H01L21/02GK104143498SQ201310185179
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月11日 优先权日:2013年5月11日
【发明者】黄辉, 渠波, 赵丹娜, 任明坤 申请人:黄辉, 渠波, 赵丹娜, 任明坤