[发明专利]一种直立GaAs纳米线的制备方法

说明书

本发明公开了一种直立GaAs纳米线的制备方法。根据Young氏公式得到Ga液滴催化剂与Si衬底表面接触角与衬底表面氧化层厚度的关系，本发明采用HF酸对Si衬底表面进行处理，使Si衬底表面变粗糙，并且Si衬底表面的氧化层被部分去除，该方法通过利用HF酸对Si衬底表面处理实现对表面氧化层厚度的控制，通过调节氧化层厚度及粗糙的表面形貌调控Ga催化剂液滴与衬底表面的接触角，使Ga催化剂液滴与衬底表面有合适的接触夹角，实现抑制多重孪晶生长，使GaAs纳米线能够直立生长，解决现有自催化外延生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，为实现高质量、高性能GaAs纳米线器件奠定材料基础。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及III-V族半导体纳米材料制备领域中直立GaAs纳米线的一种制备方法。

背景技术

纳米线是一种在横向上被限制在纳米量级，而纵向没有限制的一维结构，由于在截面方向两个维度能级分裂，这使得其相对于体材料在力学、电学、光学等方面表现出完全不同的性质。同时，在结构设计上可以形成轴向与径向的异质结，其本身也可以作为一个独立的器件，因此使得这种纳米结构成为一种很有前景的纳米级器件的构造模块，并成为研究的热点。III-V族半导体纳米材料由于具有独特的物理性质，并在纳米器件方面具有广阔的应用潜力而备受人们的关注。GaAs是III-V族化合物半导体材料之一，是直接带隙半导体材料，具有高的载流子迁移率、有效质量小、优异的电学和光学性质等特点，这使GaAs纳米线成为制备电子器件和光电子器件的一种理想材料，目前GaAs纳米线在LED、激光器、探测器、太阳能电池、热电器件等方面获得了广泛的研究。

GaAs纳米线在生长方面发展了一系列制备方法，包括化学气相沉积(CVD)、金属有机物气相沉积(MOVPE)、分子束外延(MBE)等。纳米线材料的制备总体上可分为自上而下和自下而上两种，其中自下而上是通过材料外延的方式让组分原子自动有序地去排列构造所需要的低维纳米线结构，从而避免了工艺限制，而通过自催化方法进行纳米线材料生长属于自下而上的一种。对于自催化生长的GaAs纳米线，其基本原理是在衬底表面沉积Ga元素，使得衬底表面形成了Ga液滴小球，并成为Ga原子和As原子的收集中心，进一步通入Ga和As，随着Ga-As合金中As组分的增加并逐渐达到超饱和状态，GaAs在界面处析出并形成GaAs纳米线。这种自催化方式避免了异质金属污染纳米线，同时，在减少纳米线的缺陷方面更具优势，最适合于大规模纳米线电子学器件的应用，是最具研究前景的纳米线制备方式之一。

目前，通过不同的生长技术可以实现GaAs纳米线材料的生长，在GaAs纳米线材料制备技术中以自催化生长方式居多，但实现GaAs纳米线在衬底上与衬底垂直生长，获得直立的GaAs纳米线是自催化外延技术存在的一个难题，自催化生长GaAs纳米线由于存在多重孪晶，使得纳米线的生长方向难以控制，进而出现大量倾斜的纳米线，限制了纳米线在器件中的应用。因此，如何实现直立生长的GaAs纳米线，实现直立GaAs纳米线在器件中的应用是首要解决的问题。

发明内容

本发明提出一种直立GaAs纳米线的制备方法，该方法通过用HF酸溶液对Si衬底表面的自然氧化层进行刻蚀，使Si衬底获得粗糙的表面形貌，对Si衬底表面的氧化层进行刻蚀，通过用HF酸刻蚀处理实现对Si衬底表面氧化层厚度的控制，通过改变氧化层的厚度，并结合粗糙的表面形貌来调控Ga催化剂液滴与衬底的接触角度，使Ga催化剂液滴与衬底表面具有合适的接触夹角，最终实现抑制多重孪晶的生长，使GaAs纳米线垂直于衬底直立生长，解决现有自催化外延技术生长GaAs纳米线时存在多重孪晶，纳米线的生长方向难以控制，出现大量倾斜的纳米线，限制GaAs纳米线在器件中应用的难题，为实现高质量、高性能GaAs纳米线器件奠定材料基础。