硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列及其生長方法與流程

本發明涉及納米材料生長技術領域，尤其涉及一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列及其生長方法。

背景技術：

準一維半導體納米線憑借其優越、獨特的電學、光學、力學等特性，在材料、信息與通訊、能源、生物與醫學等重要領域展現出廣闊的應用前景。尤其是，基于半導體納米線的晶體管具有尺寸小、理論截止頻率高等優點，為未來在微處理器芯片上實現超大規模集成電路開拓了新的方向。

在III-V族半導體材料中，InAs具有小的電子有效質量、高的電子遷移率和較大的朗德g因子，是研制高性能場效應電子器件以及量子器件的理想材料；而GaSb具有最高的空穴遷移率，是研制高速p型半導體場效應晶體管的理想材料。此外，InAs、GaSb都有較窄的帶隙，且兩種材料之間具有II類能帶結構和極小的晶格失配度(～0.6％)，將這兩種半導體材料相結合有可能制備出高質量的核殼異質結納米線，為許多新型高性能納米線器件的制備(如：亞閾值擺幅低于CMOS理論極限的低功耗隧穿場效應晶體管)和量子物理的研究提供平臺。特別是，為實現與當代CMOS工藝相兼容，及真正實現納米線器件的集成化，基于硅基的高質量InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的可控生長將具有更重要的現實意義。

另外，沿著<111>方向自催化生長的InAs納米線通常含有大量的層錯缺陷，尤其是對于核殼結構生長，這些缺陷將進一步延伸到殼層中，這將大大降低材料的電學和光學性能。目前，主要是通過引入外來催化劑(如：Au，Ag等)來克服這一材料制備技術上的難點，這樣既不利于與CMOS工藝相兼容，也不利于成本的降低。因此，在InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的生長過程中，同時尋找一種不依賴于外來催化劑的方法來提高納米線的晶格質量，也具有重要的研究意義。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發明提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列及其生長方法。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列，硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列包括：Si(111)襯底；掩膜層，生長于Si(111)襯底上，掩膜層制備有納米孔陣列；InAs(Sb)核納米線層，由生長于Si(111)襯底上的InAs(Sb)核納米線通過納米孔陣列穿過掩膜層而形成；以及GaSb殼層，生長于InAs(Sb)核納米線層上。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列中，納米孔陣列中的納米孔規則排列，納米孔直徑為80-150nm。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列中，掩膜層為Si的氧化物或Si的氮化物，厚度為20-30nm。

根據本發明的一個方面，提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法，硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法包括：在Si(111)襯底上生長一層掩膜層，在掩膜層制備有納米孔陣列；在Si(111)襯底上生長InAs(Sb)核納米線，這些InAs(Sb)核納米線通過掩膜層上的納米孔陣列形成InAs(Sb)核納米線層；以及在InAs(Sb)核納米線層上生長GaSb殼層。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，納米孔陣列采用電子束曝光技術或納米壓印技術制備，納米孔的直徑為80-150nm。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，在Si(111)襯底上生長InAs(Sb)核納米線包括：

將Si(111)襯底清洗后放入MOCVD腔室內，將Si(111)襯底第一次升溫至第一設定溫度，待溫度穩定后保持第一預定時間；

將Si(111)襯底第一次降溫到第二設定溫度，通入AsH₃，保持第二預定時間；

將Si(111)襯底第二次升溫到InAs(Sb)核納米線的生長溫度，并通入TMIn、TMSb源，生長InAs(Sb)核納米線。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，

將清洗好的Si(111)襯底放入MOCVD腔室內所用時間不超過10min；

第一設定溫度范圍為600-670℃，第一預定時間至少10min；

第二設定溫度范圍為380-420℃，第二預定時間至少為5min，AsH3流量范圍為1.0×10^-4-3.0×10^-4mol/min；

通過上述設定，在Si(111)襯底上形成Si(111)B面。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，生長InAs(Sb)核納米線的步驟中加入In材料；

其中，InAs(Sb)核納米線的生長溫度范圍為520-585℃，TMIn流量范圍為0.5×10^-6-1.1×10^-6mol/min，TMSb流量范圍為0-5.0×10^-5mol/min

在生長InAs(Sb)核納米線的步驟中。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，在InAs(Sb)核納米線層上生長GaSb殼層包括：

InAs(Sb)核納米線生長結束后，關閉TMIn源，在TMIn和TMSb源保護下，將Si(111)襯底溫度第二次降溫到GaSb殼層的生長溫度；

待溫度穩定后，關閉AsH₃，調整TMSb源流量，并通入TMGa源，生長GaSb殼層；

先關閉TMGa源，待溫度下降，再關閉TMSb源。

優選的，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法中，

GaSb殼層(4)的生長溫度范圍為390-450℃；

TMGa流量范圍為0.2×10^-6-0.5×10^-6mol/min，TMSb流量范圍為1-2.0×10^-6mol/min；

先關閉TMGa源，待溫度下降，再關閉TMSb源中溫度下降至300℃以下。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列及其生長方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)在硅上直接生長，可以實現與當代CMOS工藝的集成；

(2)利用圖形化的襯底，很容易實現對納米線位置和密度的精確控制，易于后期納米線器件的制備；

(3)不使用催化劑，從而避免了外來催化劑對器件性能的影響，通過在生長InAs核納米線的過程中，引入少量Sb，得到的InAsSb/GaSb核殼異質結納米線具有較高的晶體質量；

(4)利用MOCVD技術，實現大批量的工業生產。

附圖說明

圖1為本發明中硅基InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的結構示意圖。

圖2為圖1所示硅基InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的制備方法的流程圖。

圖3為采用圖2所示方法后InAs(Sb)/GaSb核殼異質結納米線生長的示意圖。

圖4為采用圖2所示方法后InAs、InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的掃描電鏡圖。

圖5為本發明中InAs/GaSb核殼異質結納米線的高分辨透射電鏡圖。

【本發明主要組成部分符號說明】

1-Si(111)襯底； 2-掩膜層；

3-InAs(Sb)核納米線層； 4-GaSb殼層。

具體實施方式

本發明提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列及其生長方法，容易實現對納米線晶體質量和位置的精確控制，易于后期器件的制備和大規模的生產。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

一、第一實施例

在本發明的第一個示例性實施例中，本實施方式提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列。

圖1為本發明實施例InAs/GaSb核殼異質結納米線的結構示意圖，如圖1所示，本實施例硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列包括：Si(111)襯底1、掩膜層2、InAs(Sb)核納米線層3和GaSb殼層4。其中，Si(111)襯底1上生長有掩膜層2，掩膜層2的厚度為20-30nm，掩膜層2為Si的氧化物或氮化物，優選SiO₂或Si₃N₄，掩膜層2上利用電子束曝光技術在掩膜層2制備出直徑為120nm的規則納米孔陣列。優選地，納米孔直徑為80-150nm。利用這些規則納米孔陣列從而實現對納米線位置和密度的精確控制，易于后期納米線器件的制備。

InAs(Sb)核納米線生長在Si(111)襯底1，并穿過掩膜層2上的納米孔陣列，在掩膜層2表面形成InAs(Sb)核納米線層3，在硅襯底上直接生長，可以實現與當代CMOS工藝的集成；GaSb殼層4生長在InAs(Sb)核納米線層3上。

至此，本發明的第一實施例硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列介紹完畢。

二、第二實施例

在本發明的第二個示例性實施例中，提供了一種硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的方法。

圖2為圖1所示硅基InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的制備方法的流程圖。如圖2所示，本實施例硅基InAs(Sb)/GaSb核殼異質結垂直納米線陣列的生長方法，包括如下步驟：

步驟A：在Si(111)襯底1上用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)生長一層20nm的SiO₂薄層2后，利用電子束曝光技術在SiO₂薄層2制備出直徑為120nm的納米孔陣列，從而將Si(111)襯底1圖形化，利用圖形化的Si(111)襯底1，很容易實現對InAs(Sb)核納米線3位置和密度的精確控制，易于后期納米線器件的制備；制備完后將Si(111)襯底1進行清洗。

步驟B：對圖像化后的Si(111)襯底1的預處理；

該步驟B進一步包括：

子步驟B1：將清洗好的Si(111)襯底1放入MOCVD腔室內，為了防止納米孔中裸露的Si表面在空氣中氧化，從清洗結束到送入MOCVD腔室，整個過程要在10min內完成。將襯底第一次升溫至第一設定溫度635℃，待溫度穩定后保持10min，此過程為高溫退火過程，目的在于去除襯底表面的污染物。

子步驟B2：將襯底第一次降溫到第二設定溫度400℃，通入AsH₃氣體，保持第二預定時間5min。在第二設定溫度通入AsH₃氣體，AsH₃流量為2.0×10^-4mol/min，目的是為了形成Si(111)B表面，有利于InAs(Sb)核納米線垂直與襯底表面生長。

步驟C：在圖像化后的Si(111)襯底1上生長InAs(Sb)核納米線；

該步驟C進一步包括：

子步驟C1，：將襯底第二次升溫到InAs(Sb)核納米線生長溫度545℃，并通入TMIn、TMSb源，TMIn流量為0.8×10^-6mol/min，TMSb流量范圍為0-5.0×10^-5mol/min，通過In液滴催化以氣-液-固的生長機制生長InAs(Sb)核納米線3。此過程中，通過改變TMSb的流量可以得到二元InAs和三元InAsSb納米線。

步驟D：在生長InAs(Sb)核納米線的Si(111)襯底上生長GaSb殼層4。

該步驟D進一步包括：

子步驟D1：InAs(Sb)核納米線生長結束后，關閉TMIn源，在AsH₃和TMSb源保護下，將襯底溫度第二次降溫到GaSb殼層4的生長溫度400℃。

子步驟D2：待溫度穩定后，關閉AsH₃，調整TMSb源流量，并通入TMGa源，在InAs(Sb)核納米線層3表面以氣-固的生長機制生長GaSb殼層4。生長GaSb殼層4的TMGa流量為0.3×10^-6mol/min，TMSb流量為1.7×10^-6mol/min。由于Sb有表面鈍化作用，要精確地控制殼層的生長溫度和TMSb源流量。

子步驟D3：GaSb殼層4生長結束后，先關閉TMGa源，為防止GaSb的分解，待溫度降至300℃以下時，再關閉TMSb源，完成InAs(Sb)/GaSb核殼異質結納米線陣列的生長。

圖3為采用圖2所示方法后InAs(Sb)/GaSb核殼異質結納米線生長的示意圖。圖4為采用圖2所示方法后InAs、InAs/GaSb核殼異質結納米線陣列的掃描電鏡圖，利用本方法得到的InAs(Sb)納米線3有高的成線率和長度均勻性，得到的納米線陣列易于后期器件的制備。圖5為本發明中InAs/GaSb核殼異質結納米線的高分辨透射電鏡圖，可以看出核殼界面處為共晶格生長，沒有晶格失配位錯產生。GaSb殼層4的厚度可通過生長時間的長短來改變，生長時間越長，得到的GaSb殼層4越厚。

至此，本發明的第二實施例介紹完畢。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數的示范，但這些參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍。此外，除非特別描述或必須依序發生的步驟，上述步驟的順序并無限制于以上所列，且可根據所需設計而變化或重新安排。并且上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。