CN103320866B - Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，在MBE生长室生长纳米线过程中引入Bi元素作为活性剂，减小GaAs的离子性，促进纳米线闪锌矿结构的形成，其特征在于：在所述的纳米线生长过程中根据Ga元素的束流等效分压，调节Bi蒸发源温度来调控其束流等效分压，以使Bi元素与Ga元素的束流等效分压之比为x，x的值将影响Bi元素对纳米线晶体结构的调控能力以及影响纳米线的形貌和相结构纯度。本方法的有益效果在于：在MBE中不需要改变生长工艺条件即可轻松实现闪锌矿晶体结构的GaAs基纳米线生长，有利于纤锌矿和闪锌矿结构GaAs基纳米线的可控生长及其同质异相异质结结构的形成，为制备纳米级光电子器件提供优异的材料。

Description

Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法

技术领域

本发明属于纳米新材料生长技术领域，特别涉及一种Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法。它是在MBE生长室中通过引入Bi元素实现在生长条件，即生长温度、V-III束流比等不变的情况下生长出纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs基纳米线。

技术背景

近年来一维半导体纳米线由于在电学、光学、力学和热学等方面展现出良好的性能，成为制备纳米级光电子器件的新一代材料。而以砷化镓GaAs为代表的III-V族半导体具有直接带隙、电子迁移率高、有效质量小等特点，并且基于III-V族半导体材料的光电器件具有频率高、响应速度快、抗辐射好等特点，因此GaAs基纳米线的生长及其晶体结构的控制成为纳米制备技术研究的热点。目前生长GaAs基纳米线最常用的方法是气-液-固生长机制，它由Wagner和Ellis在研究单晶硅纳米线生长过程中首次提出。通过调整生长条件，比如生长温度、V-III束流等效分压比等，可以控制生长出纤锌矿晶体结构和闪锌矿晶体结构的GaAs基纳米线（Hannah J.Joyce等，《Nano Letters》，第10卷，第3期，第908页，2010年）。这种通过调整生长工艺参数来实现GaAs基纳米线晶体结构控制的方法，在MOCVD中可以很容易实现，所有纳米线晶体结构一致，且纳米线直立，其长度和直径也大小均匀。

然而，在MBE中利用气-液-固生长方法生长的GaAs基纳米线的晶体结构主要呈现纤锌矿结构；虽然通过调整生长工艺参数可以生长出闪锌矿结构GaAs基纳米线，但此时的生长工艺条件已处于GaAs基纳米线生长工艺窗口边缘，不利于生长出直立、长短粗细均匀的纳米线，这将严重影响所制备的GaAs基纳米线光电器件的性能均匀性。

发明内容

为了解决MBE系统中难以实现生长直立且长短粗细均匀的闪锌矿结构纳米线的缺点，本发明采用一种Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，能够在最优的GaAs基纳米线生长工艺条件下生长出闪锌矿晶体结构纳米线，实现在生长工艺条件，即生长温度、V-III束流等效分压比等条件、不变的情况下改变纳米线的晶体结构，从而实现纤锌矿结构和闪锌矿结构GaAs基纳米线的可控生长，为生长闪锌矿结构GaAs基纳米线以及同质异相超晶格纳米线结构的实现提供一种可行易施的方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

总体上看：Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，在MBE生长室生长GaAs纳米线过程中引入Bi元素作为活性剂，减小GaAs的离子性，促进GaAs纳米线闪锌矿结构的形成，其特征在于：在所述的GaAs纳米线生长过程中根据Ga元素的束流等效分压，调节Bi蒸发源的温度来调控Bi元素的束流等效分压，以使Bi元素与Ga元素束流等效分压比为x，x的值将影响Bi元素对GaAs纳米线晶体结构的调控能力以及影响GaAs纳米线的形貌和相结构纯度；当x<40%时，GaAs纳米线中Bi元素调控区域呈现纤锌矿和闪锌矿混相结构，只有当40%<x<70%时，GaAs纳米线中Bi元素调控区域才呈现纯闪锌矿结构并且生长的GaAs纳米线垂直、均一。

具体来看：Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，其特征在于包括步骤：

I、在预处理，即除气、脱氧及生长缓冲层之后的GaAs(111)B衬底上真空热蒸发一层厚度为0.5-1nm的金膜，然后在真空传输到MBE生长室中，在As气氛的保护下进行退火处理，退火温度保持在500℃，退火时间为5分钟，使得金薄膜在GaAs衬底表面形成金的小颗粒，为气-液-固生长提供催化剂；

II、As蒸发源的温度控制在160-180℃，其对应的束流等效分压为2.6×10^-6乇-6.7×10^-6乇，Ga蒸发源温度控制在930-950℃，其对应的束流等效分压为1.0×10^-7乇-3.0×10^-7乇；通过调控As和Ga蒸发源的温度，使As元素与Ga元素束流等效分压比在15-40之间，控制纳米线的生长速率在40-60nm/min，生长温度保持在400-450℃；并且调控Bi蒸发源的温度使其保持在480-500℃之间，对应的束流等效分压为1.2×10^-7乇-2.0×10^-7乇，使Bi元素束流分压与Ga元素束流分压比x在40%-70%之间，在生长过程中通过开、关Bi蒸发源挡板，以此在生长室里面引入或撤除Bi元素；

III、冷却衬底和各蒸发源，将生长完的样品传入MBE预处理室，即得纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs纳米线。

本发明的有益效果在于：

采用本发明提供的Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，不仅可以在MBE中轻松实现闪锌矿晶体结构的GaAs纳米线生长，而且不需要改变生长温度、V-III束流等效分压比等生长工艺条件即可实现，同时因为Bi元素只作为活性剂，不参与纳米线的形成。透射电子显微镜中能量色散谱分析得出，纳米线中Bi元素调控区域中不能测量到Bi的含量，表明其极低的含量，故而此方法可实现纤锌矿结构和闪锌矿结构GaAs基纳米线的可控生长，实现闪锌矿-纤锌矿同质异相异质结结构以及超晶格结构的形成，这将为制备纳米级光电子器件提供优异的材料。

附图说明

附图1是Bi元素调控晶体结构的分子束外延生长GaAs基纳米线的扫描电子显微镜形貌图。

附图2是Bi元素调控晶体结构的分子束外延生长GaAs基纳米线的高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射图样：Bi蒸发源打开时，选区电子衍射图样显示GaAs纳米线呈现闪锌矿结构，而在纳米线顶端部分，Bi蒸发源关闭，选区电子衍射图样显示GaAs纳米线呈现纤锌矿结构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下通过具体实施例予以充分展示，但绝非限制本发明。

实施例1：

在本例中，As蒸发源的存储炉温度控制在180℃，Ga蒸发源温度控制在950℃，Bi蒸发源温度控制在480℃，使得x=40%，将镀有金膜、预处理过的GaAs(111)B衬底装入MBE生长室，生长温度控制在420℃。生长GaAs纳米线10分钟之后，在生长条件保持不变的情况下，打开Bi蒸发源挡板，引入Bi元素来减小GaAs的离子型，以此促进闪锌矿结构GaAs纳米线的形成，生长结束后冷却衬底和各蒸发源，将样品传入MBE预处理室即可取出纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs纳米线。高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射表明GaAs纳米线未调控区域到调控区域具有从纤锌矿到闪锌矿相结构的转变。

实施例2：

在本例中，As蒸发源的存储炉温度控制在180℃，Ga蒸发源温度控制在950℃，Bi蒸发源温度控制在500℃，使得x=66%，将镀有金膜、预处理过的GaAs(111)B衬底装入MBE生长室，生长温度控制在420℃。生长GaAs纳米线10分钟之后，在生长条件保持不变的情况下，打开Bi蒸发源挡板，引入Bi元素来减小GaAs的离子型，以此促进闪锌矿结构GaAs纳米线的形成，生长结束后冷却衬底和各蒸发源，将样品传入MBE预处理室即可取出纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs纳米线。高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射表明GaAs纳米线未调控区域到调控区域具有从纤锌矿到闪锌矿相结构的转变。

实施例3：

在本例中，As蒸发源的存储炉温度控制在180℃，Ga蒸发源温度控制在940℃，Bi蒸发源温度控制在500℃，使得x=50%，将镀有金膜、预处理过的GaAs(111)B衬底装入MBE生长室，生长温度控制在420℃。生长GaAs纳米线10分钟之后，在生长条件保持不变的情况下，打开Bi蒸发源挡板，引入Bi元素来减小GaAs的离子型，以此促进闪锌矿结构GaAs纳米线的形成，生长结束后冷却衬底和各蒸发源，将样品传入MBE预处理室即可取出纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs纳米线。高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射表明GaAs纳米线未调控区域到调控区域具有从纤锌矿到闪锌矿相结构的转变。

Claims (1)

1.一种Bi元素调控GaAs基纳米线晶体结构的分子束外延生长方法，其特征在于包括以下步骤：

I、在预处理，即除气、脱氧及生长缓冲层之后的GaAs(111)B衬底上真空热蒸发一层厚度为0.5-1nm的金膜，然后在真空传输到MBE生长室中，在As气氛的保护下进行退火处理，退火温度保持在500℃，退火时间为5分钟，使得金薄膜在GaAs衬底表面形成金的小颗粒，为气-液-固生长提供催化剂；

II、As蒸发源的温度控制在160-180℃，其对应的束流等效分压为2.6×10^-6乇-6.7×10^-6乇，Ga蒸发源温度控制在930-950℃，其对应的束流等效分压为1.0×10^-7乇-3.0×10^-7乇；通过调控As和Ga蒸发源的温度，使As元素与Ga元素束流等效分压比在15-40之间，控制纳米线的生长速率在40-60nm/min，生长温度保持在400-450℃；并且调控Bi蒸发源的温度使其保持在480-500℃之间，对应的束流等效分压为1.2×10^-7乇-2.0×10^-7乇，使Bi元素束流等效分压与Ga元素束流等效分压比x在40％-70％之间，在生长过程中通过开、关Bi蒸发源挡板，以此在生长室里面引入或撤除Bi元素；

III、冷却衬底和各蒸发源，将生长完的样品传入MBE预处理室，即得纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的GaAs纳米线。