本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明提出一种直立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。
本发明提出一种直立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。
本发明提出一种直立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发明实现直立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。
本发明提出一种直立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，本发明通过对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，达到本发明所提出的制备直立的GaAs纳米线的有益效果。
附图说明
图1为本发明实现直立GaAs纳米线制备方法的技术方案图。
图2为本发明制备的直立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，对本发明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，利用本发明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。
本发明提出一种直立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所示为本发明实现直立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所示为本发明外延生长得到的直立GaAs纳米线SEM图，图中可以看到本发明已实现直立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衬底表面氧化层厚度达到本发明实现直立GaAs纳米线生长所要求的0.8nm厚度要求，最后，用无水乙醇对HF酸刻蚀后的Si衬底超声处理5min，在超声清洗处理后用去离子水(DI)冲洗干净并用氮气吹干，完成对Si(111)衬底的处理工艺，可以进行直立GaAs纳米线的生长；
步骤二：在分子束外延系统中对清洗处理的Si(111)衬底进行处理，将初步处理后的Si(111)衬底放入分子束外延(MBE)系统进样室导轨小车的样品托上，对进样室进行抽真空处理，当进样室真空环境优于10-8Torr时，设定Si衬底的烘烤温度为200℃，烘烤时间2小时，初步除去Si衬底表面的水气及杂质气体，在进样室初步处理后将样品送进缓冲室(Buffer)中，对Si衬底进行350℃烘烤，烘烤时间2小时，进一步去除Si衬底表面难去除的气体杂质，最后将处理后的Si衬底送入MBE生长室，等待GaAs纳米线生长参数设定及生长源炉参数稳定后进行GaAs纳米线材料的外延生长；
步骤三：直立GaAs纳米线的生长，生长流程为：首先，开启高能反射电子衍射仪(RHEED)对衬底表面进行原位监控，将衬底温度加至620℃，打开Ga源阀门10s，沉积Ga催化剂，随后中间停顿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，这个合适的表面接触角度可以实现GaAs纳米线的直立生长，GaAs纳米线生长温度为620℃，Ga源炉温度为995℃，对应的Ga束流等效压力为6.2×10-8Torr，As源炉温度为600℃，对应的As束流等效压力为1.6×10-6Torr，As/Ga束流比为25.8，生长时间为10min，在此条件下外延生长获得GaAs纳米线材料；
步骤四：完成GaAs纳米线的生长后，Ga源、As源挡板关闭，源炉温度降温，当衬底温度低于400℃后关闭As源，等待外延设备参数达到设置参数后，将生长有直立GaAs纳米线的Si衬底通过导轨小车传送并取出，对生长样品的表面形貌及GaAs纳米线材料的晶体质量进行测试表征，完成直立GaAs纳米线材料的制备。
通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种直立GaAs纳米线材料的制备方法，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HF酸刻蚀处理，实现对Si表面氧化层厚度的控制，通过改变氧化层的厚度结合Si衬底表面粗糙的表面形貌来调控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，这个合适的接触夹角可以实现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。