[发明专利]硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料生长技术领域，尤其涉及一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法。

背景技术

准一维半导体纳米线凭借其优越、独特的电学、光学、力学等特性，在材料、信息与通讯、能源、生物与医学等重要领域展现出广阔的应用前景。尤其是，基于半导体纳米线的晶体管具有尺寸小、理论截止频率高等优点，为未来在微处理器芯片上实现超大规模集成电路开拓了新的方向。

在III-V族半导体材料中，InAs具有小的电子有效质量、高的电子迁移率和较大的朗德g因子，是研制高性能场效应电子器件以及量子器件的理想材料；而GaSb具有最高的空穴迁移率，是研制高速p型半导体场效应晶体管的理想材料。此外，InAs、GaSb都有较窄的带隙，且两种材料之间具有II类能带结构和极小的晶格失配度(～0.6％)，将这两种半导体材料相结合有可能制备出高质量的核壳异质结纳米线，为许多新型高性能纳米线器件的制备(如：亚阈值摆幅低于CMOS理论极限的低功耗隧穿场效应晶体管)和量子物理的研究提供平台。特别是，为实现与当代CMOS工艺相兼容，及真正实现纳米线器件的集成化，基于硅基的高质量InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的可控生长将具有更重要的现实意义。

另外，沿着<111>方向自催化生长的InAs纳米线通常含有大量的层错缺陷，尤其是对于核壳结构生长，这些缺陷将进一步延伸到壳层中，这将大大降低材料的电学和光学性能。目前，主要是通过引入外来催化剂(如：Au，Ag等)来克服这一材料制备技术上的难点，这样既不利于与CMOS工艺相兼容，也不利于成本的降低。因此，在InAs/GaSb核壳异质结纳米线阵列的生长过程中，同时寻找一种不依赖于外来催化剂的方法来提高纳米线的晶格质量，也具有重要的研究意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列及其生长方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列，硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列包括：Si(111)衬底；掩膜层，生长于Si(111)衬底上，掩膜层制备有纳米孔阵列；InAs(Sb)核纳米线层，由生长于Si(111)衬底上的InAs(Sb)核纳米线通过纳米孔阵列穿过掩膜层而形成；以及GaSb壳层，生长于InAs(Sb)核纳米线层上。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列中，纳米孔阵列中的纳米孔规则排列，纳米孔直径为80-150nm。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列中，掩膜层为Si的氧化物或Si的氮化物，厚度为20-30nm。

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法，硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法包括：在Si(111)衬底上生长一层掩膜层，在掩膜层制备有纳米孔阵列；在Si(111)衬底上生长InAs(Sb)核纳米线，这些InAs(Sb)核纳米线通过掩膜层上的纳米孔阵列形成InAs(Sb)核纳米线层；以及在InAs(Sb)核纳米线层上生长GaSb壳层。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，纳米孔阵列采用电子束曝光技术或纳米压印技术制备，纳米孔的直径为80-150nm。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，在Si(111)衬底上生长InAs(Sb)核纳米线包括：

将Si(111)衬底清洗后放入MOCVD腔室内，将Si(111)衬底第一次升温至第一设定温度，待温度稳定后保持第一预定时间；

将Si(111)衬底第一次降温到第二设定温度，通入AsH₃，保持第二预定时间；

将Si(111)衬底第二次升温到InAs(Sb)核纳米线的生长温度，并通入TMIn、TMSb源，生长InAs(Sb)核纳米线。

优选的，本发明硅基InAs(Sb)/GaSb核壳异质结垂直纳米线阵列的生长方法中，

将清洗好的Si(111)衬底放入MOCVD腔室内所用时间不超过10min；

第一设定温度范围为600-670℃，第一预定时间至少10min；