CN104499054B - 硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，包括如下步骤：步骤1：将一衬底放入有机溶液中超声清洗；步骤2：将清洗后的衬底用氢氟酸溶液进行腐蚀；步骤3：将腐蚀后的衬底放入MOCVD外延设备的腔室中，将衬底第一次升温后稳定一预定时间；步骤4：将衬底第一次降到设定温度后，第一次通入AsH3气体；步骤5：将衬底第二次升温至纳米线的生长温度稳定一预定时间后，减小AsH3气体的流量，同时通入TMIn和TMSb气体，开始生长InAsSb纳米线；步骤6：生长结束后关掉通入的TMIn气体，将衬底温度第二次降至室温后关掉AsH3和TMSb气体，完成InAsSb纳米线的制备。本发明具有处理工艺简单，成本大大降低；不需要使用外来催化剂，没有污染；也不需要核子纳米线辅助成核，生长步骤简化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子及微电子材料生长技术领域，尤其是指硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法。
背景技术
InAsSb三元合金纳米线由于其宽范围可调的带隙(2-8μm)、高热导率和高电子迁移率，在电子、光电子以及热电传感器等方便有广泛的应用。目前，国际上已经制备出将其作为沟道材料的低功耗场效应晶体管以及InAsSb纳米线材料的探测器。
由于Sb的表面钝化作用，InAsSb纳米线材料难以在衬底上直接成核生长。目前，国内外各研究小组对InAsSb纳米线的外延生长方法主要可以分为两类：一类是先生长一段InAs核子纳米线，然后在其基础上成核生长InAsSb纳米线；另一类是通过生长轴向异质结，先长一定长度的InAs或InP纳米线，再在其上生长InAsSb纳米线。虽然两种方法都能制备出InAsSb纳米线，但其大部分都是使用Au作为催化剂和III-V族材料作为衬底材料，这样既不利于与成熟的Si基CMOS技术集成，也难以满足对单独InAsSb纳米线的需求。同时，目前国内外生长的InAsSb纳米线材料的晶体质量并不高，含有很多缺陷(如层错、栾晶和晶界)，而纳米线晶体质量的优略直接关系到器件性能的好坏。其次，也是最关键的一点，目前能够生长出的InAsSb纳米线的生长方向都是面外的，这种面外取向的纳米线并不能与常用在现代电子技术中传统的平面法(硅晶体管的制造过程)兼容。因此，如何在Si衬底上直接自催化生长出高晶体质量的InAsSb平面纳米线成为了一个极其有意义的课题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其不需要在衬底上制造图形化的沟槽，处理工艺简单，成本大大降低；不需要使用外来催化剂，没有污染；也不需要核子纳米线辅助成核，生长步骤简化，即可在Si衬底上生长高晶体质量InAsSb平面纳米线。
本发明提供一种硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底放入有机溶液中超声清洗；
步骤2：将清洗后的衬底用氢氟酸溶液进行腐蚀；
步骤3：将腐蚀后的衬底放入MOCVD外延设备的腔室中，将衬底第一次升温后稳定一预定时间；
步骤4：将衬底第一次降到设定温度后，第一次通入AsH3气体；
步骤5：将衬底第二次升温至纳米线的生长温度稳定一预定时间后，减小AsH3气体的流量，同时通入TMIn和TMSb气体，开始生长InAsSb纳米线；
步骤6：生长结束后关掉通入的TMIn气体，将衬底温度第二次降至室温后关掉AsH3和TMSb气体，完成InAsSb纳米线的制备。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，可以实现与成熟的Si基光电子平面技术的兼容。
2、本发明提供的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，与已有的平面纳米线生长方法相比，衬底处理方法极其简单，成本大大降低。
3、本发明提供的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，与常用的Au催化方法相比，避免了Au对器件性能带来的损害。
4、本发明提供的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，可以生长出高质量的InAsSb平面纳米线，因此可以用来制作高性能的器件。
附图说明
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明中InAsSb平面纳米线的截面低倍透射电镜图；
图3为本发明中高晶体质量InAsSb平面纳米线与衬底Si界面处的截面高分辨率透射电镜图以及相应区域快速傅里叶变换斑点图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供了一种硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：将一衬底放入有机溶液中超声清洗，该衬底的材料为Si(n型或P型)，这样有利于与成熟的Si基CMOS技术集成，所述的有机溶液为乙醇和丙酮，所述的超声清洗过程为乙醇超声5分钟后再用丙酮超声5分钟，超声清洗可以去掉表面的有机物和颗粒状杂质；
步骤2：将清洗后的衬底用氢氟酸溶液进行腐蚀，除去表面自然氧化层。所述腐蚀所用的氢氟酸溶液质量百分浓度为2％，腐蚀液放在30℃的恒温槽内恒温10分钟后腐蚀，腐蚀时间为5秒钟，腐蚀后立即用去离子水清洗干净后用氮气枪吹干，这样可避免腐蚀液残留在衬底表面；
步骤3：将腐蚀后的衬底放入MOCVD外延设备的腔室中，为了防止硅表面再次氧化，从清洗结束到放入腔室整个过程要在10分钟内完成，将衬底第一次升温后稳定一预定时间，所述衬底第一次升温的温度为630℃，稳定的时间为5分钟，目的在于去除表面残留的污染物；
步骤4：将衬底第一次降到设定温度后，第一次通入AsH3气体，所述将衬底第一次降温的设定温度为400℃，所述的第一次通入的AsH3气体的流量为2.0x10-4mol/min，以形成Si(111)B面，为步骤5中的InAsSb平面纳米线的生长提供富As的气氛；
步骤5：将衬底第二次升温至纳米线的生长温度稳定一预定时间后，减小AsH3气体的流量，同时通入TMIn和TMSb气体，开始生长InAsSb纳米线，第二次升温的温度为430℃，这一温度既高于源材料TMIn和TMSb的分解温度，可使得源材料TMIn和TMSb有较高的分解率，又低于纳米线材料InAsSb的熔点，不会致使融化，同时此温度有利于纳米线平面生长，而抑制了面外取向的纳米线。纳米线的生长温度为430℃，稳定时间为5分钟，纳米线生长时间为5分钟，纳米线生长时AsH3气体的流量为8.0x10-6mol/min，TMIn的流量为2.0x10-6mol/min，TMSb的流量为1.2x10-5mol/min；
步骤6：生长结束后关掉通入的TMIn气体，将衬底温度第二次降至室温后关掉AsH3和TMSb气体，最后完成InAsSb平面纳米线的制备，降温过程中AsH3和TMSb气体为InAsSb平面纳米线提供V族保护，防止InAsSb平面纳米线在较高温度下分解蒸发。
由图2所示InAsSb平面纳米线的截面低倍透射电镜图可知，利用本方法得到的InAsSb纳米线与衬底Si表面紧紧附着。图3示出的InAsSb平面纳米线与衬底Si界面处的截面高分辨率透射电镜图以及相应区域的快速傅里叶变换斑点图可知，利用本方法得到的InAsSb平面纳米线与衬底的外延生长关系；且为纯立方闪锌矿结构，晶格质量完整。
以上所述的具体实施例中，对本发明要解决的技术问题和技术方案进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底放入有机溶液中超声清洗；
步骤2：将清洗后的衬底用氢氟酸溶液进行腐蚀；
步骤3：将腐蚀后的衬底放入MOCVD外延设备的腔室中，将衬底第一次升温后稳定一预定时间；
步骤4：将衬底第一次降到设定温度后，第一次通入AsH3气体，衬底第一次降温的设定温度为400℃；
步骤5：将衬底第二次升温至纳米线的生长温度稳定一预定时间后，减小AsH3气体的流量，同时通入TMIn和TMSb气体，开始生长InAsSb纳米线，衬底第二次升温的温度为430℃，纳米线的生长温度为430℃，稳定时间为5分钟；
步骤6：生长结束后关掉通入的TMIn气体，将衬底温度第二次降至室温后关掉AsH3和TMSb气体，完成InAsSb纳米线的制备。
2.如权利要求1所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中衬底的材料为Si。
3.如权利要求1所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中所述的有机溶液为乙醇和丙酮。
4.如权利要求3所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中所述的超声清洗过程为乙醇超声5分钟后再用丙酮超声5分钟。
5.如权利要求1所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中腐蚀所用的氢氟酸溶液质量百分浓度为2％，腐蚀时间为5秒钟，腐蚀后用去离子水清洗干净后用氮气枪吹干。
6.如权利要求1所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中衬底第一次升温的温度为630℃，稳定的时间为5分钟。
7.如权利要求1所述的硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法，其中所述的第一次通入的AsH3气体的流量为2.0x10-4mol/min，纳米线生长时AsH3气体的流量为8.0x10- 6mol/min，TMIn的流量为2.0x10-6mol/min，TMSb的流量为1.2x10-5mol/min。
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