阅读说明：本技术 一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法 (Method for growing high-quality GaAs nanowire based on Sn catalysis gas phase ) 是由 杨再兴 孙嘉敏 高兆峰 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法,包括：采用双温区气相法生长；双温区包括源区和生长区,源区放置GaAs粉末,用于提供源材料；生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底,用于纳米线的生长；源区和生长区之间放置表面活性剂,用于改良纳米线。本发明可以制备出表面光滑、直径均匀、密度高的GaAs纳米线。同时,本发明采用的化学气相沉积方法制备GaAs纳米线,条件简单,成本低廉。所采用的金属催化剂锡具有低熔点低温合金化的特点,促进了气-液-固生长,且不会在硅半导体中产生中间带隙。(The invention relates to a method for growing high-quality GaAs nanowires based on Sn catalytic gas phase, which comprises the following steps: growing by adopting a dual-temperature-zone vapor phase method; the double-temperature area comprises a source area and a growth area, wherein the GaAs powder is placed in the source area and used for providing source materials; the substrate covered with the Sn film catalyst is placed in the growth area and used for growing the nanowire; and a surfactant is placed between the source region and the growth region and used for improving the nanowire. The method can prepare the GaAs nanowire with smooth surface, uniform diameter and high density. Meanwhile, the GaAs nanowire is prepared by the chemical vapor deposition method, so that the conditions are simple and the cost is low. The adopted metal catalyst tin has the characteristic of low melting point and low temperature alloying, promotes gas-liquid-solid growth, and does not generate intermediate band gap in the silicon semiconductor.)

一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法

技术领域

本发明涉及一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法，属于低维光电材料制备领域。

背景技术

得益于独特的物理化学特性，三五(III-V)族半导体纳米线在光电、电化学、传感器、量子计算等领域有着重要的研究意义和发展前景。其中，由于砷化镓(GaAs)具有直接带隙、高载流子迁移率、耐高温等特点，在太阳能电池、探测器、热电器件等方面获得了广泛的研究，成为了下一代高性能微电子光电器件研究领域的热点。

在传统的气相生长方法中，利用金(Au)纳米颗粒作为催化剂所制备的GaAs纳米线的形貌和密度虽然得到较好控制，但Au原子在生长过程中会扩散进纳米线内，引入深杂质能级，从而增强非辐射复合，严重影响GaAs纳米线器件的电学性能。而金催化剂与传统硅(Si)半导体工艺的不兼容性导致人们为寻找其替代技术付出了许多努力，其中最常见的是自催化与选择性区域生长纳米线方法。而这两种方法所制备的GaAs纳米线缺陷较多，结晶度差，制约了GaAs纳米线基光电子器件的发展。因此，优化GaAs纳米线的制备方法，选择与现有硅工艺相兼容的金属催化剂具有重要意义。此外，针对不同化学成分的纳米线，其性质不同，在生长过程中金属催化剂对其性能的影响也不同。CN110112060A使用Pd、Ni、Cu金属催化剂薄膜，利用气固固生长模式控制高性能Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长方向；CN110164997A使用Sn金属催化剂薄膜制备GaSb纳米线，实现轻掺杂，调控其迁移率。

因此，针对不同的半导体材料，选择合适的与现有硅工艺相兼容的金属催化剂，制备密度高，直径均匀，晶体质量好的纳米线是目前研究面临的难点。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是在Au催化剂在生长过程中扩散进入GaAs纳米线内，引入深杂质能级等问题，本发明提供一种基于锡(Sn)催化气相生长高质量GaAs纳米线的方法。本发明通过表面活性剂辅助化学气相沉积方法、选择金属锡作为生长GaAs纳米线的催化剂，制备出的GaAs纳米线具有直径均匀、密度高、表面光滑等优点。

一种基于Sn催化气相生长高质量GaAs族半导体纳米线的方法，包括：

采用双温区气相法生长；所述的双温区包括源区和生长区，所述的源区放置GaAs半导体源材料，用于提供源材料；所述的生长区放置覆盖有Sn膜催化剂的衬底，用于纳米线的生长；

源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。

根据本发明，优选的，源区的温度区间为800-880℃，生长区的温度区间为610-650℃。源区温度控制在800-880℃内，保证了源材料的分解与供应，生长区温度控制在610-650℃，保证了催化剂状态为液态，使纳米线按照气-液-固(VLS)的生长模式生长。

根据本发明，优选的，升温生长前将双温区抽真空后通入保护气体；进一步优选的，保护气体为H₂，其纯度为99.9995％；抽真空至10^-3Torr，通保护气体的时间为20-40分钟。

根据本发明，优选的，升温至源区和生长区所需温度的升温速率≥60℃/min。

根据本发明，优选的，所述的GaAs半导体源材料，纯度为99.999％，粉末形态，粒径≤100目。

根据本发明，优选的，所述的表面活性剂为硫族元素，进一步优选S，单质粉末形态。

根据本发明，优选的，所述的衬底为Si/SiO₂衬底；优选的，Sn膜催化剂的厚度为100-500nm。

根据本发明，优选的，GaAs半导体源材料与覆盖有Sn膜催化剂的衬底的距离为15cm；表面活性剂与覆盖有Sn膜催化剂的衬底的距离为9cm。

根据本发明，优选的，生长时间为30-60min；生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。

根据本发明，所述一种基于Sn催化气相生长高质量III-V族半导体纳米线的方法，一种优选的实施方案，包括以下步骤：

(1)采用双温区水平管式炉，将盛有GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离用于生长纳米线的衬底15cm，下游生长区放置覆盖100-500nm厚Sn膜催化剂的Si/SiO₂衬底，用于生长纳米线，盛有表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚放置于两个温区中间，距离用于生长纳米线的衬底9cm；

(2)将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通30分钟H₂保护气；

(3)将源区温度升温至800-880℃，生长区温度升温至610-650℃，生长30-60min；

(4)生长结束后，源区和生长区停止加热并逐渐冷却至室温。

本发明通过化学气相沉积方法，选择金属Sn作为生长GaAs纳米线的催化剂，制备出具有立方相、直径均匀、密度高等特点的GaAs纳米线。

本发明的有益效果在于：

1、本发明实现了首次用金属锡作为催化剂，采用的表面活性剂辅助化学气相沉积(CVD)方法制备出GaAs纳米线，条件简单，成本低廉。所制备的GaAs纳米线表面光滑，密度高，直径均匀。

2、本发明使用金属锡作为催化剂，成功解决了金属催化剂与Si/SiO₂衬底不兼容的问题；同时，也解决了Au催化剂容易扩散进GaAs纳米线内，引入深杂质能级，从而增强非辐射复合，严重影响GaAs纳米线器件的电学性能的缺陷。

3、本发明使用Sn金属催化剂薄膜，Sn的熔点较低，具有低熔点低温合金化的特点，促进了气-液-固生长。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的示意图。

图2为本发明实施例1中Sn膜的扫描电镜照片。

图3为本发明实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的扫描电镜照片。

图4为本发明实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线能量色散光谱。

图5为本发明实施例1中采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线衍射谱。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中所述的样品为用于生长纳米线的Si/SiO₂衬底。

实施例1

采用双温区水平管式炉，将盛有0.5g GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖400nm厚Sn膜的Si/SiO₂衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通30分钟H₂，气流量为200sccm。将源区温度升高到800℃，将生长区温度升高到610℃，生长30min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。

本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的扫描电镜照片如图3所示。由图3可知，所制备的GaAs纳米线表面光滑，密度高，直径均匀。

本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线能量色散光谱如图4所示。由图4可知，所制备的纳米线由Ga和As两种元素组成。

本实施例采用Sn催化气相生长GaAs纳米线的X射线衍射谱如图5所示，由图5可知，所制备的GaAs纳米线结晶度高。

实施例2

采用双温区水平管式炉，将盛有0.5g GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖100nm厚Sn膜的Si/SiO₂衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通40分钟H₂，气流量为200sccm。将源区温度升高到820℃，将生长区温度升高到620℃，生长30min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。

实施例3

采用双温区水平管式炉，将盛有0.5g GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖200nm厚Sn膜的Si/SiO₂衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通35分钟H₂，气流量为200sccm。将源区温度升高到830℃，将生长区温度升高到630℃，生长40min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。

实施例4

采用双温区水平管式炉，将盛有0.5g GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖400nm厚Sn膜的Si/SiO₂衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通30分钟H₂，气流量为200sccm。将源区温度升高到850℃，将生长区温度升高到640℃，生长50min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。

实施例5

采用双温区水平管式炉，将盛有0.5g GaAs粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离样品15cm，盛有0.5g表面活性剂S粉末的氮化硼坩埚置于GaAs粉末和生长区中间，距离样品9cm，覆盖400nm厚Sn膜的Si/SiO₂衬底置于下游温区中间，用于纳米线的生长。将管式炉的压强抽至10^-3Torr并通40分钟H₂，气流量为200sccm。将源区温度升高到880℃，将生长区温度升高到650℃，生长45min。生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。