一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法，包括：采用双温区气相法生长；双温区包括源区和生长区，源区放置GaAs粉末，用于提供源材料；生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底，用于纳米线的生长；源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。本发明专利技术可以制备出表面光滑、直径均匀、密度高的GaAs纳米线。同时，本发明专利技术采用的化学气相沉积方法制备GaAs纳米线，条件简单，成本低廉。所采用的金属催化剂锡具有低熔点低温合金化的特点，促进了气‑液‑固生长，且不会在硅半导体中产生中间带隙。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法
本专利技术涉及一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法，属于低维光电材料制备领域。
技术介绍
得益于独特的物理化学特性，三五(III-V)族半导体纳米线在光电、电化学、传感器、量子计算等领域有着重要的研究意义和发展前景。其中，由于砷化镓(GaAs)具有直接带隙、高载流子迁移率、耐高温等特点，在太阳能电池、探测器、热电器件等方面获得了广泛的研究，成为了下一代高性能微电子光电器件研究领域的热点。在传统的气相生长方法中，利用金(Au)纳米颗粒作为催化剂所制备的GaAs纳米线的形貌和密度虽然得到较好控制，但Au原子在生长过程中会扩散进纳米线内，引入深杂质能级，从而增强非辐射复合，严重影响GaAs纳米线器件的电学性能。而金催化剂与传统硅(Si)半导体工艺的不兼容性导致人们为寻找其替代技术付出了许多努力，其中最常见的是自催化与选择性区域生长纳米线方法。而这两种方法所制备的GaAs纳米线缺陷较多，结晶度差，制约了GaAs纳米线基光电子器件的发展。因此，优化GaAs纳米线的制备方法，选择与现有硅工艺相兼容的金属催化剂具有重要意义。此外，针对不同化学成分的纳米线，其性质不同，在生长过程中金属催化剂对其性能的影响也不同。CN110112060A使用Pd、Ni、Cu金属催化剂薄膜，利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向；CN110164997A使用Sn金属催化剂薄膜制备GaSb纳米线，实现轻掺杂，调控其迁移率。因此，针对不同的半导体材料，选择合适的与现有硅工艺相兼容的金属催化剂，制备密度高，直径均匀，晶体质量好的纳米线是目前研究面临的难点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，尤其是在Au催化剂在生长过程中扩散进入GaAs纳米线内，引入深杂质能级等问题，本专利技术提供一种基于锡(Sn)催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法。本专利技术通过表面活性剂辅助化学气相沉积方法、选择金属锡作为生长GaAs纳米线的催化剂，制备出的GaAs纳米线具有直径均匀、密度高、表面光滑等优点。一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，包括：采用双温区气相法生长；所述的双温区包括源区和生长区，所述的源区放置GaAs半导体源材料，用于提供源材料；所述的生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底，用于纳米线的生长；源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。根据本专利技术，优选的，源区的温度区间为800-880℃，生长区的温度区间为610-650℃。源区温度控制在800-880℃内，保证了源材料的分解与供应，生长区温度控制在610-650℃，保证了催化剂状态为液态，使纳米线按照气-液-固(VLS)的生长模式生长。根据本专利技术，优选的，升温生长前将双温区抽真空后通入保护气体；进一步优选的，保护气体为H2，其纯度为99.9995％；抽真空至10-3Torr，通保护气体的时间为20-40分钟。根据本专利技术，优选的，升温至源区和生长区所需温度的升温速率≥60℃/min。根据本专利技术，优选的，所述的GaAs半导体源材料，纯度为99.999％，粉末形态，粒径≤100目。根据本专利技术，优选的，所述的表面活性剂为硫族元素，进一步优选S，单质粉末形态。根据本专利技术，优选的，所述的衬底为Si/SiO2衬底；优选的，Sn膜催化剂的厚度为100-500nm。根据本专利技术，优选的，GaAs半导体源材料与覆盖有Sn膜催化剂的衬底的距离为15cm；表面活性剂与覆盖有Sn膜催化剂的衬底的距离为9cm。根据本专利技术，优选的，生长时间为30-60min；生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。根据本专利技术，所述一种基于Sn催化气相生长高质量III-V族半导体纳米线的方法，一种优选的实施方案，包括以下步骤：(1)采用双温区水平管式炉，将盛有GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离用于生长纳米线的衬底15cm，下游生长区放置覆盖100-500nm厚Sn膜催化剂的Si/SiO2衬底，用于生长纳米线，盛有表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚放置于两个温区中间，距离用于生长纳米线的衬底9cm；(2)将管式炉的压强抽至10-3Torr并通30分钟H2保护气；(3)将源区温度升温至800-880℃，生长区温度升温至610-650℃，生长30-60min；(4)生长结束后，源区和生长区停止加热并逐渐冷却至室温。本专利技术通过化学气相沉积方法，选择金属Sn作为生长GaAs纳米线的催化剂，制备出具有立方相、直径均匀、密度高等特点的GaAs纳米线。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术实现了首次用金属锡作为催化剂，采用的表面活性剂辅助化学气相沉积(CVD)方法制备出GaAs纳米线，条件简单，成本低廉。所制备的GaAs纳米线表面光滑，密度高，直径均匀。2、本专利技术使用金属锡作为催化剂，成功解决了金属催化剂与Si/SiO2衬底不兼容的问题；同时，也解决了Au催化剂容易扩散进GaAs纳米线内，引入深杂质能级，从而增强非辐射复合，严重影响GaAs纳米线器件的电学性能的缺陷。3、本专利技术使用Sn金属催化剂薄膜，Sn的熔点较低，具有低熔点低温合金化的特点，促进了气-液-固生长。附图说明图1为本专利技术实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的示意图。图2为本专利技术实施例1中Sn膜的扫描电镜照片。图3为本专利技术实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的扫描电镜照片。图4为本专利技术实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线能量色散光谱。图5为本专利技术实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线衍射谱。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术做进一步说明，但不限于此。实施例中所述的样品为用于生长纳米线的Si/SiO2衬底。实施例1采用双温区水平管式炉，将盛有0.5gGaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖400nm厚Sn膜的Si/SiO2衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10-3Torr并通30分钟H2，气流量为200sccm。将源区温度升高到800℃，将生长区温度升高到610℃，生长30min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的扫描电镜照片如图3所示。由图3可知，所制备的GaAs纳米线表面光滑，密度高，直径均匀。本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线能量色散光谱如图4所示。由图4可知，所制备的纳米线由Ga和As两种元素组成。本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线衍射谱如图5所示，由图5可知，所制备的GaAs纳米线结晶度高。实施例2采用双温区水平管式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，包括：/n采用双温区气相法生长；所述的双温区包括源区和生长区，所述的源区放置GaAs半导体源材料，用于提供源材料；所述的生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底，用于纳米线的生长；/n源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，包括：
采用双温区气相法生长；所述的双温区包括源区和生长区，所述的源区放置GaAs半导体源材料，用于提供源材料；所述的生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底，用于纳米线的生长；
源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。


2.根据权利要求1所述的基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，其特征在于，源区的温度区间为800-880℃。


3.根据权利要求1所述的基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，其特征在于，生长区的温度区间为610-650℃。


4.根据权利要求1所述的基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，其特征在于，升温生长前将双温区抽真空后通入保护气体。


5.根据权利要求4所述的基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，其特征在于，保护气体为H2，其纯度为99.9995％；抽真空至10-3Torr，通保护气体的时间为20-40分钟。


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【专利技术属性】
技术研发人员：杨再兴，孙嘉敏，高兆峰，
申请(专利权)人：山东大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44