[发明专利]一种最优光电效能的半导体纳米线阵列制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低维结构半导体材料的制备方法，具体是指一种最优光电效能的半导体纳米线阵列制备方法。

背景技术

半导体垂直纳米线阵列在电子学和光学层面上都有利于高效光电转换。首先，纳米线是天然的一维光波天线，加上阵列结构引发的导-共振模式，形成集体“光学陷阱”效应，使垂直纳米线阵列相对于体材料和其他半导体低维结构更易于实现充分光吸收；同时一维结构也更有利于光生载流子的高效收集。这些优势使得半导体垂直纳米线阵列在高效太阳能电池和超灵敏光电探测器中具有越来越大的应用潜力。

目前，半导体垂直纳米线阵列的制备方法可分为自上而下和自下而上两大类。自上而下法是指将块体材料通过金属辅助化学刻蚀或干法反应离子刻蚀等加工手段制备出所需的纳米线结构。该方法可操控性强，可以得到尺寸精确、间距合理以及晶体质量完美的纳米线阵列。但该方法工艺复杂、消耗材料多、制备成本相对高昂，且由于干法刻蚀的反应气氛在垂直往下刻蚀的同时对侧壁也有较大的刻蚀速率，化学刻蚀对纳米线侧壁也会造成一定的损伤，这些刻蚀损伤有可能在纳米线侧面形成深能级复合中心，使光生载流子俘获几率增加，导致纳米线电化学器件的光电响应能力变差。

自下而上法则以原子、分子自组织堆积的方式，通过在气相或液相中外延得到一维纳米尺度结晶体，目前最广泛使用的是催化外延技术。相比于刻蚀法，该方法制备方式简单、需要消耗的材料少；同时，催化外延法形成的随机纳米线阵列尺寸与间距有一定的分布，相对周期性单一尺寸纳米线阵列有着更宽的响应光谱，所以该方法为制备低成本、高效率的光电性能器件提供了可能。

从纳米线器件光电性能角度出发，电子和光学的优劣是评定其性能好坏的主要因素。一方面，纳米线生长中较易形成的位错等晶格缺陷不仅本身会俘获电子使载流子数目减少，其应力场也会与杂质相互作用，使杂质优先沿位错沉积，从而在纳米线中形成大量的深能级复合中心，使载流子数目进一步减少，因此，纳米线阵列电学层面上光生载流子高效收集的优越性依赖于非常好的晶体质量条件；另一方面，由“导-共振”模式等形成的集体“光学陷阱”效应又和纳米线直径、间距和高度息息相关，所以纳米线阵列光学层面上的优化依赖于合理的阵列结构。然而到目前为止却仍缺少一种在电学和光学这两个层面上都达到最优化的半导体纳米线阵列制备方法，虽然利用催化分子束外延技术生长纳米线阵列的优势巨大，但使其晶体质量最优化并不容易，理想的阵列结构也不易控制。

另外，目前对纳米线材料性能的评估手段主要包括用高分辨电镜分析纳米线的晶格结构以及光谱学方法分析光学质量和光吸收特性等，这些方法一方面制样复杂、测量条件苛刻；另一方面，它们都是对纳米线电子学和光学层面的单独测量，当前还缺乏一种对垂直纳米线的光电性能进行高效、直接测量和评估的方法。

本发明首先根据拟制备的III-V族纳米线材料体系，选择最优V/III束流比，通过调控纳米线的衬底温度，利用金属催化分子束外延方法生长一系列的纳米线阵列试样，然后使用导电原子力显微镜评估纳米线阵列试样的光电性能，找到最佳的衬底温度生长条件，进而制备出最优光电效能的半导体纳米线阵列。

发明内容

本发明是针对现有制备技术的不足，提供一种适用于III-V族半导体纳米线阵列的制备方法。本方法利用金属颗粒催化外延方法，结合垂直单纳米线光电流评估手段，即可确定最佳生长温度条件，制备出最优光电效能的半导体纳米线阵列。

本发明的依据是纳米线的晶格质量和几何形态对衬底温度高度敏感。在低温条件下生长的纳米线易出现高密度的缺陷，随着衬底温度的增加，改进的晶格弛豫使得缺陷密度显著降低，从而使纳米线的晶格质量显著提高。与此同时，纳米线阵列的光吸收能力取决于其几何形态，包括纳米线的直径、高度和间距，而用催化外延法制备的纳米线阵列，其几何形态也随着衬底温度的改变逐渐变化，这给调节纳米线阵列的光耦合特性提供了可能。因此，通过调控衬底温度，可以实现纳米线阵列晶体质量及光学陷阱结构的最优化，进而制备出最优光电效能的半导体纳米线阵列。