[发明专利]相异材料上的纳米线生长

说明书

技术领域

本发明涉及硅上半导体纳米线的生长。具体而言，该发明涉及与Si衬底的表面正交突出的III-V半导体的生长。

背景技术

近几年来，对半导体纳米线的兴趣得到加强。纳米线也被称为纳米须、纳米棒和纳米柱等等。对于本申请来说，术语纳米线要被解释为处于基本处于一维形式并且即在其宽度或直径上具有纳米尺寸的结构。这种结构通常被称为纳米须、一维纳米元件、纳米棒、纳米柱、纳米管等等。尽管这些术语隐含细长形状，但是纳米线可具有例如金字塔形状。往往纳米线被认为具有不大于100nm的至少两个尺寸。然而，可行形成具有大约1μm的直径或宽度的纳米线。在纳米尺度上控制一维生长给组合材料、操纵机械和电磁两者的性能、以及设计新颖器件提供独特的机会。由于纳米线的受控一维生长而可以制作的有用器件之一是发光二极管(LED)。

Si上III-V半导体的外延生长呈现若干困难，诸如晶格失配、晶体结构的差别(III-V具有极性闪锌矿或纤锌矿结构，而Si具有共价金刚石结构)、热膨胀系数的巨大差别以及所谓的反相畴(anti-phase domain)的形成。大多数工作是针对使用不同办法在Si上平面生长III-V材料以企图生长器件质量结构而完成的，例如参见S.F.Fang等人的Gallium-Arsenide and Other Compound Semicondutor on Silicon，Journal of Applied Physics 68，R31-R58(1990)进行回顾。

认识到从Si衬底生长出来的III-V半导体纳米线将由于纳米线和Si衬底之间的接合的小横截面而可能克服若干上面提及的问题。在许多系统中，纳米线在<111>方向上并且大多数通常在[111]B方向上生长。非垂直线从Si(111)衬底的生长通常被观测到，例如参见A.L.Roest等人的Position-controlled epitaxial III-V nanowires on silicon，Nanotechnology 17，(11)，S271-S275(2006)，并且造成过程控制方面的问题。从非极性Si(111)衬底可获得四个<111>方向，其中仅一个是竖直的，如图1a所图解的。在工业应用中，这可能妨碍高效的处理并降低有用部件的成品率。

发明内容

在Si衬底上产生III-V半导体的纳米线或纳米结构的现有技术方法需要改进以便可用于半导体器件的大规模生产。

本发明的目标是克服现有技术的缺陷。这是通过如独立权利要求中限定的方法和器件而实现的。

依据发明的一种产生纳米结构化器件的方法包括以下步骤：

-向Si衬底的(111)表面提供III族或V族原子以便提供III族或V族表面终止层(termination)；以及

-从Si衬底的(111)表面生长至少一个III-V半导体纳米线。

在依据发明的方法的一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-在预定升高的温度下提供III族或V族材料(诸如Ga或In)预流以提供III族或V族材料终止的Si(111)表面从而使得III族或V族材料扩散到生长催化剂粒子/Si界面中，并且在生长催化剂粒子/Si界面中形成III族或V族材料层；

-在高温下的短生长步骤以形成薄成核层；以及

-把温度降低到正常用于纳米线生长和执行轴向纳米线生长的温度状况。

在依据发明的方法的一个实施例中，多个纳米线依照预定器件布局以有序图案生长在(111)表面上。

根据发明的纳米结构化器件包括在Si衬底的(111)表面上生长的优选由III-V材料制成的多个半导体纳米线。纳米结构化器件的基本上所有纳米线与(111)表面正交地突出。优选地，纳米线依照预定器件布局以有序图案生长在Si衬底的(111)表面上。有序图案可为周期性图案。

由于该发明，可以在Si衬底上在仅一个预定方向上提供III-V纳米线。这种结构便于生长具有作为模板的纳米线的单畴聚结层或者便于制造用于电子、光电子、光子、发光二极管应用等等的半导体器件。

发明的实施例被限定在从属权利要求中。发明的其它目标、优点和新颖特征将通过当结合附图和权利要求被考虑时发明的以下详细描述而变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图来描述发明的优选实施例，其中：

图1a示意性地图解从FCC(111)表面的四个可用<111>方向，其中在极性III-V(111)B表面的情况下箭头1指示<111>B方向而其它箭头表示<111>A方向；