[發明專利]一種最優光電效能的半導體納米線陣列制備方法

在審

• 申請號: 201710387962.0
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107248537A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 夏輝;童中英;李天信;陳平平;盧振宇;張健;姚曉梅;張旭濤;唐舟
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/0693
• 分類號: H01L31/0693;H01L31/18;H01L21/02;B82Y20/00;B82Y30/00
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所31311
• 代理人: 李秀蘭

技術領域

本發明涉及低維結構半導體材料的制備方法，具體是指一種最優光電效能的半導體納米線陣列制備方法。

背景技術

半導體垂直納米線陣列在電子學和光學層面上都有利于高效光電轉換。首先，納米線是天然的一維光波天線，加上陣列結構引發的導-共振模式，形成集體“光學陷阱”效應，使垂直納米線陣列相對于體材料和其他半導體低維結構更易于實現充分光吸收；同時一維結構也更有利于光生載流子的高效收集。這些優勢使得半導體垂直納米線陣列在高效太陽能電池和超靈敏光電探測器中具有越來越大的應用潛力。

目前，半導體垂直納米線陣列的制備方法可分為自上而下和自下而上兩大類。自上而下法是指將塊體材料通過金屬輔助化學刻蝕或干法反應離子刻蝕等加工手段制備出所需的納米線結構。該方法可操控性強，可以得到尺寸精確、間距合理以及晶體質量完美的納米線陣列。但該方法工藝復雜、消耗材料多、制備成本相對高昂，且由于干法刻蝕的反應氣氛在垂直往下刻蝕的同時對側壁也有較大的刻蝕速率，化學刻蝕對納米線側壁也會造成一定的損傷，這些刻蝕損傷有可能在納米線側面形成深能級復合中心，使光生載流子俘獲幾率增加，導致納米線電化學器件的光電響應能力變差。

自下而上法則以原子、分子自組織堆積的方式，通過在氣相或液相中外延得到一維納米尺度結晶體，目前最廣泛使用的是催化外延技術。相比于刻蝕法，該方法制備方式簡單、需要消耗的材料少；同時，催化外延法形成的隨機納米線陣列尺寸與間距有一定的分布，相對周期性單一尺寸納米線陣列有著更寬的響應光譜，所以該方法為制備低成本、高效率的光電性能器件提供了可能。

從納米線器件光電性能角度出發，電子和光學的優劣是評定其性能好壞的主要因素。一方面，納米線生長中較易形成的位錯等晶格缺陷不僅本身會俘獲電子使載流子數目減少，其應力場也會與雜質相互作用，使雜質優先沿位錯沉積，從而在納米線中形成大量的深能級復合中心，使載流子數目進一步減少，因此，納米線陣列電學層面上光生載流子高效收集的優越性依賴于非常好的晶體質量條件；另一方面，由“導-共振”模式等形成的集體“光學陷阱”效應又和納米線直徑、間距和高度息息相關，所以納米線陣列光學層面上的優化依賴于合理的陣列結構。然而到目前為止卻仍缺少一種在電學和光學這兩個層面上都達到最優化的半導體納米線陣列制備方法，雖然利用催化分子束外延技術生長納米線陣列的優勢巨大，但使其晶體質量最優化并不容易，理想的陣列結構也不易控制。

另外，目前對納米線材料性能的評估手段主要包括用高分辨電鏡分析納米線的晶格結構以及光譜學方法分析光學質量和光吸收特性等，這些方法一方面制樣復雜、測量條件苛刻；另一方面，它們都是對納米線電子學和光學層面的單獨測量，當前還缺乏一種對垂直納米線的光電性能進行高效、直接測量和評估的方法。

本發明首先根據擬制備的III-V族納米線材料體系，選擇最優V/III束流比，通過調控納米線的襯底溫度，利用金屬催化分子束外延方法生長一系列的納米線陣列試樣，然后使用導電原子力顯微鏡評估納米線陣列試樣的光電性能，找到最佳的襯底溫度生長條件，進而制備出最優光電效能的半導體納米線陣列。

發明內容

本發明是針對現有制備技術的不足，提供一種適用于III-V族半導體納米線陣列的制備方法。本方法利用金屬顆粒催化外延方法，結合垂直單納米線光電流評估手段，即可確定最佳生長溫度條件，制備出最優光電效能的半導體納米線陣列。

本發明的依據是納米線的晶格質量和幾何形態對襯底溫度高度敏感。在低溫條件下生長的納米線易出現高密度的缺陷，隨著襯底溫度的增加，改進的晶格弛豫使得缺陷密度顯著降低，從而使納米線的晶格質量顯著提高。與此同時，納米線陣列的光吸收能力取決于其幾何形態，包括納米線的直徑、高度和間距，而用催化外延法制備的納米線陣列，其幾何形態也隨著襯底溫度的改變逐漸變化，這給調節納米線陣列的光耦合特性提供了可能。因此，通過調控襯底溫度，可以實現納米線陣列晶體質量及光學陷阱結構的最優化，進而制備出最優光電效能的半導體納米線陣列。