[发明专利]一种低温下生长GaAs纳米线的方法

说明书

本发明公开了一种低温下生长GaAs纳米线的方法，包括以下步骤：(1)衬底以及晶向选取；(2)对衬底表面进行清洗，除掉自然氧化层；(3)对衬底进行退火处理，除去残留在硅表面的水合物以及有机物；(4)GaAs纳米线的制备：采用分子束外延生长工艺，利用交替生长法在处理后的衬底上生长GaAs纳米线。本发明具有生长工艺简单，制备成本低，可以在低温下生长出密度高，形貌好的GaAs纳米线的优点。同时本发明制备的GaAs纳米线晶体质量好，比表面积大，没有引入异质元素杂质，具有较高的发光效率和光吸收率。

技术领域

本发明涉及GaAs纳米线，特别涉及一种低温下生长GaAs纳米线的方法。

背景技术

近年来，随着纳米技术的发展，纳米线结构逐渐成为人们研究的一个热点。纳米线的直径通常在纳米数量级，长度在几百纳米到几微米之间。纳米线中的载流子只能在一个空间方向上自由运动，而在与之垂直的另外两个空间方向上都受到势垒的限制。由此产生的量子局域效应赋予了纳米线许多三维固体不具备的、内涵丰富而深刻的新现象和新效应。

由于三五族化合物GaAs具有直接带隙以及高载流子迁移率等优良特质，由其制成的纳米线在固体电子和光电子领域具有很大的发展潜力和应用前景。举例来说，在光电子领域，由于纳米线结构具有很大的表面积-体积比，使得异质外延时产生的应力可以得到充分释放，从而可以获得缺陷较少、质量较高的异质结构，这可以极大地提高光电器件的内部量子效率，提高器件质量。同时，由于量子局域效应，我们可以通过调节GaAs纳米线的直径来控制其带隙宽度，从而获得期望的发光频率和吸收谱线。这对于发光器件和太阳能电池的制造都有很大帮助。另外，GaAs纳米线独特的表面结构也可以提高器件的性能。如衬底上的纳米线形成的粗糙表面可以增大对太阳光的吸收；极大的结面积可以减少光能的浪费；一维结构相对于薄膜结构拥有更大的外部量子效率等。

要想实现GaAs纳米柱器件的大规模生产应用，将其与传统的CMOS电路集成到一块电路板上非常重要。要想获得工艺简单，成本较低，性能较好的GaAs纳米柱，Ga自催化法生长几乎是唯一的选择。但是，由于在传统方法中低温生长GaAs纳米线时Ga液滴的迁移率过低，无法实现有效的一维生长，因此目前Ga自催化生长的GaAs纳米线的温度高达600℃左右。在这个温度下，CMOS电路的栅极材料会因高温而改性，表现为性能恶化，无法满足要求。因此，实现低温生长GaAs纳米线生长具有十分重要的意义。

发明内容

为了利用纳米线独特的优势，使GaAs纳米线的生长温度能和CMOS工艺要求的温度范围相兼容，克服现有的技术的不足，本发明的目的在于提供一种低温下在Si衬底上生长GaAs纳米线的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种低温下生长GaAs纳米线的方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及晶向选取；

(2)对衬底表面进行清洗，除掉自然氧化层；

(3)对衬底进行退火处理，除去残留在硅表面的水合物以及有机物；

(4)GaAs纳米线的制备：采用分子束外延生长工艺，利用交替生长法在处理后的衬底上生长GaAs纳米线，具体过程如下：

(4-1)Ga液滴的预沉积；

(4-2)GaAs纳米线的交替生长：预沉积步骤完成后，打开衬底挡板，并先打开Ga源的挡板数秒，再关闭Ga源挡板；间断5～10秒后再打开As源挡板数秒，随后再关闭As源挡板，整个过程中生长温度为250℃-500℃；如此循环数十次后，同时关闭Ga源和As源的挡板，待温度降低后取出衬底，结束生长。

所述衬底以及晶向选取，具体为：选择Si(111)衬底。

所述Ga液滴的预沉积，具体包括以下步骤：