[发明专利]一种硅基III-V族纳米管与微米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米管与微米管材料及其制备方法，属于半导体材料领域。

背景技术

近年来，在纳米科技领域，特别是纳米材料领域，纳米管与微米管备受国内外众多研究者关注。究其原因，纳米管与微米管不仅具有优良、独特的结构、形貌、机械、力学、热学、光学、电学特性，还有很多新的物理规律与效应等待人们发掘，在材料学、化学、物理电子学、光学、生物医学等领域已展现出非常广阔的应用前景和重要的应用价值。碳纳米管与微米管研究最早且最广泛。碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）由Iijima等人于1991年首次制备成功[S.Iijima,Nature,354(1991)56]。常用的碳纳米管制备方法有：电弧放电法、辉光放电法、激光烧蚀法、气体燃烧法、气相沉积法、固相热解法、聚合反应合成法等。这些方法工艺复杂、制管成本高、产量低。

与之对应，半导体纳米管与微米管则是另外一种重要形态，采用与碳纳米管完全不同的制备工艺。2000年，Prinz等人利用GaAs衬底上MBE生长的InGaAs/GaAs应变双层薄膜首次制备出III-V族自卷曲纳米管[V.Y.Prinz et al.,“Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes,nanohelices and their arrays”,Physica E,6(2000)828-831.]。接着，Prinz等人又利用同样办法，在Si衬底上制备出GeSi/Si自卷曲纳米管[S.V.Golod,V.Y.Prinz,et al.,“Fabrication of conducting GeSi/Si micro-and nanotubes and helical microcoils”,Semicond.Sci.Technol.,16(2001)181]。此后，半导体纳米管与微米管研究就如火如荼地快速发展起来，并取得了诸多令人欣喜的重要进展。半导体纳米管和微米管已表现出许多优异的光学和电学特性，有望在光电子（如光子晶体、波导、谐振器、激光器、太阳能电池）、微电子（如MEMS、晶体管）、生物医学、传感等方面获得重要应用。

最近几年，受下一代光通信网络与高性能计算需求的驱动，硅基光子学（silicon photonics）特别是硅基光子互连技术迅猛发展。尽管采用与Si基CMOS兼容的工艺，已在硅基上集成了调制器及其驱动电路、滤波器、探测器以及放大电路等，但制约高速片上（inter-chip）或片间（intra-chip）光互芯片的核心器件——低功耗、高可靠性的Si基高性能激光器始终未彻底获得突破。相关研究表明：利用Si基半导体纳米管或微米管有望在Si衬底上实现高性能纳米尺度激光器。因此，Si基半导体纳米管和微米管又迅速成为该领域新的前沿研究热点。目前，主要采用以下两类技术手段在Si衬底上制备纳米管或微米管：

(1)直接在Si衬底上制备SiGe/Si纳米管或微米管[S.V.Golod,V.Y.Prinz,V.I.Mashanov and A.K.Gutakovsky,“Fabrication of conducting GeSi/Si micro-and nanotubes and helical microcoils”,Semicond.Sci.Technol.,16(2001)181；V.Y.Prinz,D.Grutzmacher,A.Beyer,C.David,B.Ketterer,E.Deckardt,“A new technique for fabricating three-dimensional micro-and nanostructures of various shapes”,Nanotechnology 12(2001)399；A.Vorob’ev,P.O.Vaccaro,K.Kubota,T.Aida,T.Tokuda,T.Hayashi,Y.Sakano,J.Ohta and M.Nunoshita,“SiGe/Si microtubes fabricated on a silicon-on-insulator substrate”,J.Phys.D:Appl.Phys.,36(2003)L67 L69]。