[發(fā)明專利]一種基于Sn催化氣相生長高質(zhì)量GaAs納米線的方法

有效

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• 申請日: 2019-11-29
• 公開（公告）號: CN112877779B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊再興;孫嘉敏;高兆峰
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)深圳研究院
• 主分類號: C30B29/42
• 分類號: C30B29/42;C30B29/60;C30B25/00;C30B25/16;B01J23/14
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 楊磊

本發(fā)明涉及一種基于Sn催化氣相生長高質(zhì)量GaAs納米線的方法，包括：采用雙溫區(qū)氣相法生長；雙溫區(qū)包括源區(qū)和生長區(qū)，源區(qū)放置GaAs粉末，用于提供源材料；生長區(qū)放置覆蓋有Sn膜催化劑的襯底，用于納米線的生長；源區(qū)和生長區(qū)之間放置表面活性劑，用于改良納米線。本發(fā)明可以制備出表面光滑、直徑均勻、密度高的GaAs納米線。同時，本發(fā)明采用的化學(xué)氣相沉積方法制備GaAs納米線，條件簡單，成本低廉。所采用的金屬催化劑錫具有低熔點低溫合金化的特點，促進(jìn)了氣?液?固生長，且不會在硅半導(dǎo)體中產(chǎn)生中間帶隙。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于Sn催化氣相生長高質(zhì)量GaAs納米線的方法，屬于低維光電材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

得益于獨特的物理化學(xué)特性，三五(III-V)族半導(dǎo)體納米線在光電、電化學(xué)、傳感器、量子計算等領(lǐng)域有著重要的研究意義和發(fā)展前景。其中，由于砷化鎵(GaAs)具有直接帶隙、高載流子遷移率、耐高溫等特點，在太陽能電池、探測器、熱電器件等方面獲得了廣泛的研究，成為了下一代高性能微電子光電器件研究領(lǐng)域的熱點。

在傳統(tǒng)的氣相生長方法中，利用金(Au)納米顆粒作為催化劑所制備的GaAs納米線的形貌和密度雖然得到較好控制，但Au原子在生長過程中會擴散進(jìn)納米線內(nèi)，引入深雜質(zhì)能級，從而增強非輻射復(fù)合，嚴(yán)重影響GaAs納米線器件的電學(xué)性能。而金催化劑與傳統(tǒng)硅(Si)半導(dǎo)體工藝的不兼容性導(dǎo)致人們?yōu)閷ふ移涮娲夹g(shù)付出了許多努力，其中最常見的是自催化與選擇性區(qū)域生長納米線方法。而這兩種方法所制備的GaAs納米線缺陷較多，結(jié)晶度差，制約了GaAs納米線基光電子器件的發(fā)展。因此，優(yōu)化GaAs納米線的制備方法，選擇與現(xiàn)有硅工藝相兼容的金屬催化劑具有重要意義。此外，針對不同化學(xué)成分的納米線，其性質(zhì)不同，在生長過程中金屬催化劑對其性能的影響也不同。CN110112060A使用Pd、Ni、Cu金屬催化劑薄膜，利用氣固固生長模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線生長方向；CN110164997A使用Sn金屬催化劑薄膜制備GaSb納米線，實現(xiàn)輕摻雜，調(diào)控其遷移率。

因此，針對不同的半導(dǎo)體材料，選擇合適的與現(xiàn)有硅工藝相兼容的金屬催化劑，制備密度高，直徑均勻，晶體質(zhì)量好的納米線是目前研究面臨的難點。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，尤其是在Au催化劑在生長過程中擴散進(jìn)入GaAs納米線內(nèi)，引入深雜質(zhì)能級等問題，本發(fā)明提供一種基于錫(Sn)催化氣相生長高質(zhì)量GaAs納米線的方法。本發(fā)明通過表面活性劑輔助化學(xué)氣相沉積方法、選擇金屬錫作為生長GaAs納米線的催化劑，制備出的GaAs納米線具有直徑均勻、密度高、表面光滑等優(yōu)點。

一種基于Sn催化氣相生長高質(zhì)量GaAs族半導(dǎo)體納米線的方法，包括：

采用雙溫區(qū)氣相法生長；所述的雙溫區(qū)包括源區(qū)和生長區(qū)，所述的源區(qū)放置GaAs半導(dǎo)體源材料，用于提供源材料；所述的生長區(qū)放置覆蓋有Sn膜催化劑的襯底，用于納米線的生長；

源區(qū)和生長區(qū)之間放置表面活性劑，用于改良納米線。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，源區(qū)的溫度區(qū)間為800-880℃，生長區(qū)的溫度區(qū)間為610-650℃。源區(qū)溫度控制在800-880℃內(nèi)，保證了源材料的分解與供應(yīng)，生長區(qū)溫度控制在610-650℃，保證了催化劑狀態(tài)為液態(tài)，使納米線按照氣-液-固(VLS)的生長模式生長。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，升溫生長前將雙溫區(qū)抽真空后通入保護(hù)氣體；進(jìn)一步優(yōu)選的，保護(hù)氣體為H₂，其純度為99.9995％；抽真空至10^-3Torr，通保護(hù)氣體的時間為20-40分鐘。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，升溫至源區(qū)和生長區(qū)所需溫度的升溫速率≥60℃/min。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的GaAs半導(dǎo)體源材料，純度為99.999％，粉末形態(tài)，粒徑≤100目。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的表面活性劑為硫族元素，進(jìn)一步優(yōu)選S，單質(zhì)粉末形態(tài)。