硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法与流程

本发明涉及纳米材料生长技术领域，尤其涉及一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法。

背景技术：

准一维半导体纳米线凭借其优越、独特的电学、光学、力学等特性，在材料、信息与通讯、能源、生物与医学等重要领域展现出广阔的应用前景。尤其是，基于半导体纳米线的晶体管具有尺寸小、理论截止频率高等优点，为未来在微处理器芯片上实现超大规模集成电路开拓了新的方向。

在III-V族半导体材料中，InAs具有小的电子有效质量、高的电子迁移率和较大的朗德g因子，是研制高性能场效应电子器件以及量子器件的理想材料；而GaSb具有最高的空穴迁移率，是研制高速p型半导体场效应晶体管的理想材料。此外，InAs、GaSb都有较窄的带隙，且两种材料之间具有II类能带结构和极小的晶格失配度(～0.6％)，将这两种半导体材料相结合有可能制备出高质量的核壳异质结纳米线，为许多新型高性能纳米线器件的制备(如：亚阈值摆幅低于CMOS理论极限的低功耗隧穿场效应晶体管)和量子物理的研究提供平台。特别是，为实现与当代CMOS工艺相兼容，及真正实现纳米线器件的集成化，基于硅基的高质量InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的可控生长将具有更重要的现实意义。

另外，沿着<111>方向自催化生长的InAs纳米线通常含有大量的层错缺陷，尤其是对于核壳结构生长，这些缺陷将进一步延伸到壳层中，这将大大降低材料的电学和光学性能。目前，主要是通过引入外来催化剂(如：Au，Ag等)来克服这一材料制备技术上的难点，这样既不利于与CMOS工艺相兼容，也不利于成本的降低。因此，在InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的生长过程中，同时寻找一种不依赖于外来催化剂的方法来提高纳米线的晶格质量，也具有重要的研究意义。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列，硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列包括：Si(111)衬底；掩膜层，生长于Si(111)衬底上，掩膜层制备有纳米孔阵列；InAs(Sb)核纳米线层，由生长于Si(111)衬底上的InAs(Sb)核纳米线通过纳米孔阵列穿过掩膜层而形成；以及GaSb壳层，生长于InAs(Sb)核纳米线层上。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列中，纳米孔阵列中的纳米孔规则排列，纳米孔直径为80-150nm。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列中，掩膜层为Si的氧化物或Si的氮化物，厚度为20-30nm。

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法，硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法包括：在Si(111)衬底上生长一层掩膜层，在掩膜层制备有纳米孔阵列；在Si(111)衬底上生长InAs(Sb)核纳米线，这些InAs(Sb)核纳米线通过掩膜层上的纳米孔阵列形成InAs(Sb)核纳米线层；以及在InAs(Sb)核纳米线层上生长GaSb壳层。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，纳米孔阵列采用电子束曝光技术或纳米压印技术制备，纳米孔的直径为80-150nm。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，在Si(111)衬底上生长InAs(Sb)核纳米线包括：

将Si(111)衬底清洗后放入MOCVD腔室内，将Si(111)衬底第一次升温至第一设定温度，待温度稳定后保持第一预定时间；

将Si(111)衬底第一次降温到第二设定温度，通入AsH₃，保持第二预定时间；

将Si(111)衬底第二次升温到InAs(Sb)核纳米线的生长温度，并通入TMIn、TMSb源，生长InAs(Sb)核纳米线。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，

将清洗好的Si(111)衬底放入MOCVD腔室内所用时间不超过10min；

第一设定温度范围为600-670℃，第一预定时间至少10min；

第二设定温度范围为380-420℃，第二预定时间至少为5min，AsH3流量范围为1.0×10^-4-3.0×10^-4mol/min；

通过上述设定，在Si(111)衬底上形成Si(111)B面。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，生长InAs(Sb)核纳米线的步骤中加入In材料；

其中，InAs(Sb)核纳米线的生长温度范围为520-585℃，TMIn流量范围为0.5×10^-6-1.1×10^-6mol/min，TMSb流量范围为0-5.0×10^-5mol/min

在生长InAs(Sb)核纳米线的步骤中。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，在InAs(Sb)核纳米线层上生长GaSb壳层包括：

InAs(Sb)核纳米线生长结束后，关闭TMIn源，在TMIn和TMSb源保护下，将Si(111)衬底温度第二次降温到GaSb壳层的生长温度；

待温度稳定后，关闭AsH₃，调整TMSb源流量，并通入TMGa源，生长GaSb壳层；

先关闭TMGa源，待温度下降，再关闭TMSb源。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，

GaSb壳层(4)的生长温度范围为390-450℃；

TMGa流量范围为0.2×10^-6-0.5×10^-6mol/min，TMSb流量范围为1-2.0×10^-6mol/min；

先关闭TMGa源，待温度下降，再关闭TMSb源中温度下降至300℃以下。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)在硅上直接生长，可以实现与当代CMOS工艺的集成；

(2)利用图形化的衬底，很容易实现对纳米线位置和密度的精确控制，易于后期纳米线器件的制备；

(3)不使用催化剂，从而避免了外来催化剂对器件性能的影响，通过在生长InAs核纳米线的过程中，引入少量Sb，得到的InAsSb/GaSb核壳异质结纳米线具有较高的晶体质量；

(4)利用MOCVD技术，实现大批量的工业生产。

附图说明

图1为本发明中硅基InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的结构示意图。

图2为图1所示硅基InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的制备方法的流程图。

图3为采用图2所示方法后InAs(Sb)/GaSb核壳异质结纳米线生长的示意图。

图4为采用图2所示方法后InAs、InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的扫描电镜图。

图5为本发明中InAs/GaSb核壳异质结纳米线的高分辨透射电镜图。

【本发明主要组成部分符号说明】

1-Si(111)衬底； 2-掩膜层；

3-InAs(Sb)核纳米线层； 4-GaSb壳层。

具体实施方式

本发明提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法，容易实现对纳米线晶体质量和位置的精确控制，易于后期器件的制备和大规模的生产。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，本实施方式提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列。

图1为本发明实施例InAs/GaSb核壳异质结纳米线的结构示意图，如图1所示，本实施例硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列包括：Si(111)衬底1、掩膜层2、InAs(Sb)核纳米线层3和GaSb壳层4。其中，Si(111)衬底1上生长有掩膜层2，掩膜层2的厚度为20-30nm，掩膜层2为Si的氧化物或氮化物，优选SiO₂或Si₃N₄，掩膜层2上利用电子束曝光技术在掩膜层2制备出直径为120nm的规则纳米孔阵列。优选地，纳米孔直径为80-150nm。利用这些规则纳米孔阵列从而实现对纳米线位置和密度的精确控制，易于后期纳米线器件的制备。

InAs(Sb)核纳米线生长在Si(111)衬底1，并穿过掩膜层2上的纳米孔阵列，在掩膜层2表面形成InAs(Sb)核纳米线层3，在硅衬底上直接生长，可以实现与当代CMOS工艺的集成；GaSb壳层4生长在InAs(Sb)核纳米线层3上。

至此，本发明的第一实施例硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列介绍完毕。

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的方法。

图2为图1所示硅基InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的制备方法的流程图。如图2所示，本实施例硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法，包括如下步骤：

步骤A：在Si(111)衬底1上用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长一层20nm的SiO₂薄层2后，利用电子束曝光技术在SiO₂薄层2制备出直径为120nm的纳米孔阵列，从而将Si(111)衬底1图形化，利用图形化的Si(111)衬底1，很容易实现对InAs(Sb)核纳米线3位置和密度的精确控制，易于后期纳米线器件的制备；制备完后将Si(111)衬底1进行清洗。

步骤B：对图像化后的Si(111)衬底1的预处理；

该步骤B进一步包括：

子步骤B1：将清洗好的Si(111)衬底1放入MOCVD腔室内，为了防止纳米孔中裸露的Si表面在空气中氧化，从清洗结束到送入MOCVD腔室，整个过程要在10min内完成。将衬底第一次升温至第一设定温度635℃，待温度稳定后保持10min，此过程为高温退火过程，目的在于去除衬底表面的污染物。

子步骤B2：将衬底第一次降温到第二设定温度400℃，通入AsH₃气体，保持第二预定时间5min。在第二设定温度通入AsH₃气体，AsH₃流量为2.0×10^-4mol/min，目的是为了形成Si(111)B表面，有利于InAs(Sb)核纳米线垂直与衬底表面生长。

步骤C：在图像化后的Si(111)衬底1上生长InAs(Sb)核纳米线；

该步骤C进一步包括：

子步骤C1，：将衬底第二次升温到InAs(Sb)核纳米线生长温度545℃，并通入TMIn、TMSb源，TMIn流量为0.8×10^-6mol/min，TMSb流量范围为0-5.0×10^-5mol/min，通过In液滴催化以气-液-固的生长机制生长InAs(Sb)核纳米线3。此过程中，通过改变TMSb的流量可以得到二元InAs和三元InAsSb纳米线。

步骤D：在生长InAs(Sb)核纳米线的Si(111)衬底上生长GaSb壳层4。

该步骤D进一步包括：

子步骤D1：InAs(Sb)核纳米线生长结束后，关闭TMIn源，在AsH₃和TMSb源保护下，将衬底温度第二次降温到GaSb壳层4的生长温度400℃。

子步骤D2：待温度稳定后，关闭AsH₃，调整TMSb源流量，并通入TMGa源，在InAs(Sb)核纳米线层3表面以气-固的生长机制生长GaSb壳层4。生长GaSb壳层4的TMGa流量为0.3×10^-6mol/min，TMSb流量为1.7×10^-6mol/min。由于Sb有表面钝化作用，要精确地控制壳层的生长温度和TMSb源流量。

子步骤D3：GaSb壳层4生长结束后，先关闭TMGa源，为防止GaSb的分解，待温度降至300℃以下时，再关闭TMSb源，完成InAs(Sb)/GaSb核壳异质结纳米线阵列的生长。

图3为采用图2所示方法后InAs(Sb)/GaSb核壳异质结纳米线生长的示意图。图4为采用图2所示方法后InAs、InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的扫描电镜图，利用本方法得到的InAs(Sb)纳米线3有高的成线率和长度均匀性，得到的纳米线阵列易于后期器件的制备。图5为本发明中InAs/GaSb核壳异质结纳米线的高分辨透射电镜图，可以看出核壳界面处为共晶格生长，没有晶格失配位错产生。GaSb壳层4的厚度可通过生长时间的长短来改变，生长时间越长，得到的GaSb壳层4越厚。

至此，本发明的第二实施例介绍完毕。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。