[发明专利]一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体为一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法。

背景技术

1、Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料主要包括InSb、InAs、GaSb、GaAs等。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料属于直接带隙材料，且禁带宽度比较窄，在300K时，InSb为0.17eV，InAs为0.35eV,GaSb为0.7eV，GaAs为1.4eV，为远红外及近红外探测器的发展提供了可能。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料有很大的电子和空穴迁移率以及比较小的有效电子质量，是一类制造高速半导体器件以及量子器件的优良材料。由于其特殊的性质，Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线现已经应用于电子场效应晶体管、光电探测器、太阳能电池、发光二极管、气体探测器等多个应用领域，有着非常广泛的应用前景。

2、气-液-固生长机制(Vapor-Liquid-SolidMechanism,VLS)

气液固生长机制是一种用于生长一维纳米材料的方法,最早由Wanger于1967年在《应用物理快报》(AppliedPhysicsLetters,APL)上报道。最初VLS机制用于介绍在硅衬底上生长硅纳米线。在干净的硅表面镀上纳米级的金膜，通过高温退火使得金膜成为一个个纳米级的金颗粒。在氢气的载气作用下通入前驱物四氯化硅，在腔室中，四氯化硅与氢气发生化学反应，生成单质硅和氯化氢。由于反应在气氛中进行，生成的硅物质将沉积在硅衬底表面。而金和硅可以互溶，形成金硅的合金物质。在衬底上的金颗粒吸收足量的硅，达到饱和，在相图的作用下可知，硅会从母相中析出，在硅衬底表面按照其晶格结构外延生长出硅纳米线。因为物质的输运经历过气体到液体到固体，三相的转变过程，所以该机制被成为气液固生长机制。

在众多的纳米线材料制备中，大部分自下而上的生长方式都被认为是VLS机制的催化作用，使用VLS机制可以根据相图来控制一维纳米材料的合成。在VLS生长机制中，催化颗粒的大小限定了一维纳米材料的径向尺度，让其只能朝着一个维度进行生长，形成纳米线结构。在VLS机制的基础上，有研究表明，在催化颗粒为固体时，也可以进行纳米线材料的制备，气固固生长机制(Vapor-Solid-SolidMechanism,VSS)由瑞典隆德大学(LundUniversity)在扫描透射电子显微镜中实时观测到，成为气固液生长机制的一种衍生。

3、纳米线主要生长装置

化学气相沉积方法(Chemicalvapordeposition，CVD)是一种用来制备薄膜、纳米材料的常用方法。在载气的驱动下，将气体或者固体的前驱物带入沉积区域，在表面催化剂或活性剂的作用下，形成一定的薄膜或者纳米结构，实现材料的制备。

现如今化学气相沉积是一种较为廉价的材料生长方式，在此基础上，将化学气相沉积的前驱物替换成金属有机物，并对控制单元及生长腔室进行改进，演化成的金属有机物化学沉积(MetalorganicChemicalvapordeposition，MOCVD)方法被广泛应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备。瑞典隆德大学使用MOCVD在砷化铟的单晶衬底上制备出了InAs纳米线，并基于InAs纳米线通过更换Ⅴ族有机金属源的方法，成功制备出了高品质的InAs/InSb异质结构。

分子束外延(Molecularbeamepitaxy，MBE)最早也是用来制备薄膜材料的一种方式。在高真空腔室中，加热所需组分而产生蒸汽，形成分子或原子束后直接喷射在衬底上，实现薄膜或纳米材料的生长。其特点在于，可以通过控制实现低速率生长；有超高的真空环境，最大限度的避免污染；且生长衬底可以在较低温环境中，避免在高温下引入晶格失配。

在MBE的基础上，通过将MOCVD中的有机金属源与MBE的优势相结合，人们发明了化学束外延(Chemicalbeamepitaxy，CBE)，通过热裂解器加热金属有机源，喷射到衬底上，可以实现对束流量更好的控制。

以上四种方面目前已经应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长，但由于其设备昂贵，维护困难，单次生长造价不菲，一直主要用于实验室研究。

发明内容

为克服上述不足，本发明提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，使得纳米线的制备过程更加简化，具有通用性，降低了制备成本，能够将制备完成的纳米线直接保存在真空环境中，防止因接触空气而氧化，大大提高了纳米线制备的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的制备方法，包括如下步骤：