CN1961100A - 纳米须晶的方向受控生长 - Google Patents

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Abstract

纳米须晶是通过调节核化条件以抑制优先方向上的生长而在非优先生长方向上生长的。在一种较好实施方案中，<001>III－V半导体纳米须晶是通过有效抑制优先<III>B方向上的生长而<001>III－V半导体基材表面上生长的。作为一个实例，<001>InP纳米丝是通过金属有机蒸气相取向生长而直接在<001>InP基材上生长的。扫描电子显微镜和透射电子显微镜的表征揭示了有近似方形横截面和无堆垛层错的完美闪锌矿晶体结构的丝。

Description

纳米须晶的方向受控生长
相关专利申请的交叉参照
本专利申请要求2004年2月6日提交的美国临时专利申请No.60/541,949的优先权益，其全文列为本文参考文献。
技术领域
本发明一般地涉及用纳米工艺技术生产的结构和这样的结构的生产方法。更具体地说，本发明涉及基本上呈一维形式、其宽度或直径有纳米级尺寸、借助于催化剂微粒生产的、且通常称为“纳米须晶”的此类结构和包含至少一个元件的器件。
背景技术
纳米技术涵盖各种不同领域，包括可以视为纳米规模工程实践的纳米工程领域。这可能导致尺寸范围从原子规模的小器件到规模大得多的结构—例如微观规模—的结构。典型地说，纳米结构是有至少两维小于约1μm(即纳米规模)的器件。通常，有一层或多层厚度小于1μm的层状结构或原材料并不认为是纳米结构。因此，纳米结构这一术语包括有2个小于约1μm的维、有不同于更大结构者的功能和效用、且典型地以不同于更大一点即微观规模的结构的惯常制备程序的方法制造的自由站立或分立结构。尽管纳米结构类别的确切边界并没有由特定数字尺寸极限来界定，但这一术语已经使这样一个类别显著得容易由业内技术人员识别。在很多情况下，表征纳米结构的至少2维的尺寸上限是约500nm。在一些技术范畴内，“纳米结构”这一术语要理解为覆盖有至少2维为约100nm或更小的结构。在一个给定的范畴内，熟练的实践者将会认识到意向尺寸范围。在本申请中，“纳米结构”这一术语的广义意图是指一种如以上指出的有至少2个小于1μm的横向维的细长结构。在更好的应用中，这样的维将是小于约100nm、更好小于约50nm、甚至更好小于约20nm。
纳米结构包括基本上呈一维形式、其宽度或直径有纳米尺寸、且通常称为纳米须晶、纳米棒、纳米丝、纳米管等的一维纳米元件。
经由所谓VLS(蒸气-液体-固体)机理在基材上形成须晶的基本过程是众所周知的。将一种催化材料(通常是黄金)的微粒置于一种基材上，并在某些气体的存在下加热而形成一种熔体。一根基柱在该熔体下形成，而且该熔体上升到该基柱顶上。结果是一种所希望材料的须晶，且凝固的微粒熔体位于顶上。见Wagner， Whisker Technology，Wiley，New York，1970和E.I.Givargizov， Current Topics in Materials Science，Vol.1，pages 79-145，North Holland PublishingCommpany，1978。在这种技术的早期应用中，这样的须晶的尺寸在微米范围内，但此后这种技术也已应用于纳米须晶的形成。例如，国际专利申请公报No.WO 01/84238(其全文列为本文参考文献)在图15和16中公开了一种纳米须晶形成方法，其中来自一种气溶胶的纳米尺寸微粒沉积在一种基材上，并使用这些微粒作为晶种而产生单丝或纳米须晶。
尽管生长中的须晶尖端上催化微粒的存在所催化的纳米须晶的生长惯常地简称为VLS(蒸气-液体-固体法)，但已经认识到的是，该催化微粒可能不必处于液态就能成为一种有效的须晶生长催化剂。至少一些证据表明，用于形成该须晶的材料可以到达微粒-须晶界面，并对正在生长的须晶做出贡献，即使该催化微粒处于其熔点以下的温度且可能处于固态。在这样的条件下，该生长材料例如在其生长时加到该须晶尖端的原子在生长温度下可能能够透过固体催化微粒本体扩散或甚至可能沿该固体催化微粒表面扩散到该须晶的生长尖端。Persson et al.，“Solid-phase diffusion mechanism for GaAs nanowiresgrowth，” Nature Materials，Vol.3，October 2004，pp 687-681，显示，对于半导体化合物纳米须晶来说，可能发生一种化合物(GaAs)的单一成分(Ga)透过催化微粒的固相扩散机理。显然，总效果是相同的，即该催化微粒所催化的该须晶的伸长，无论在温度、催化微粒组成、该须晶的意向组成、或其它与须晶生长相关的条件等特定环境下确切的机理可能是什么。为了本申请之目的，“VLS方法”、或“VLS机理”、或等效术语学这些术语意图包括所有这样的催化程序，其中纳米须晶生长是受到与该纳米须晶的生长尖端接触的液体或固体微粒催化的。
为了本说明书之目的，“纳米须晶”这一术语意图指宽度或直径(或一般地说横向尺度)为纳米尺度的一维纳米元件，该元件较好是由如以上所述的所谓VLS机理形成的。纳米须晶在业内也简称为“纳米丝”(nanowires)或在上下文中只简称为“须晶”或“丝”。
自立的纳米须晶因其在电子学和光子学应用上的潜在用途已经吸引了日益增多的注意。
如同以上提到的Wagner的早期工作中已经显示的，这样的纳米须晶的优先生长方向是<111>。<111>取向的纳米须晶的一个缺点是通常垂直于生长方向形成的高密度堆垛层错。这些缺陷预期会影响该纳米须晶的物理性能。这种优先生长方向的另一个缺点是其与工业应用上常用基材的主表面的(001)晶面的不可兼容性。即，该优先生长方向斜交而非正交于基材主表面，该正交方向是<001>。例如，III-V化合物的常用市售基材有<001>作为主表面。反之，III-V化合物的纳米须晶优先在<111>B方向上从(111)B晶体平面生长起来。
Hiruma et al.， J.Appl.Phys.，77(2)，15 January 1995，pages 447-462，报告了在有各种表面、尤其包括(001)表面的GaAs基材上InAs纳米须晶的生长。该InAs纳米丝总是在<111>方向上生长，导致例如以35°角斜交于(001)表面的丝对([1-11]和[-111])。
纳米须晶的其它生长方向已在须晶生长期间观察到偶尔发生。例如，Wu et al，“Growth，branching，and kinking of molecular beamepitaxial<110>GaAs nanowires，” Applied Physics Letters，20October2003，Vol.83，No.16，pp 3368-3370，公开了通过分子束取向生长(MBE)而在GaAs(001)上生长的GaAs纳米须晶的<011>方向。
Bjrk et al，“One-Dimensional Heterostructures In SemiconductorNanowhiskers，” Applied Physics Letters，Vol.80，No.6，11 February2002，pages 1058-1060，描述了用化学束取向生长(CBE)而从(111)B GaAs表面生长起来的InAs/InP杂结构纳米须晶的<001>片断，该片断偏离了该纳米须晶的初始<111>B生长方向。更具体地说，已经观察到，虽然大多数纳米须晶在<111>B方向上生长，但偶尔形成了呈最初在<111>B方向上生长但“扭接”到<001>方向的“曲棍球棒”形式的纳米须晶。所公开的纳米须晶有InAs基底区域，而且作为InP/InAs界面上压缩应变的结果而在<001>方向上生长。<001>方向上纳米须晶的生长大幅减少缺陷例如堆垛层错的形成。
在国际专利申请公报No.WO 2004/004927(其全文列为本文参考文献)中，在图24(b)中公开了一种须晶生长方向控制技术，其中，通过在其形成期间改变生长条件来对该须晶施加应变，该须晶的生长方向可以从通常的<111>方向变成<100>方向。替而代之，在该纳米须晶的基底可能生长一种宽带隙材料的一个短带隙片断。
纳米须晶生长方向控制的又进一步改善是所希望。例如，会为正交于不可兼容基材表面的初始须晶生长方向提供的方法—即，其中该须晶的优先生长方向斜交于该表面—会是高度理想的，这样的方法会产生的结构亦然。这样一种方法使得须晶的生长能在其整个长度(或更一般地说，至少其长度的初始部分)上正交于该表面，与以前观察到的、有斜交于该表面的初始生长方向的扭转纳米须晶相反。
发明概要
本发明涉及纳米须晶的方向受控生长、和涉及包括这样的须晶的结构，且除其它事情外还提供有刚才描述的高度理想特征的方法和结构。因此，本发明提供了其中纳米须晶有至少一个在非优先生长方向上从基材表面生长起来的基底部分的方法和结构。
发明内容
本发明一方面认识到，特定半导体材料的纳米须晶有优先生长方向，而且特定半导体材料的常用市售基材有特定晶面界定一个与优先生长方向不对应的主要表面。因此，本发明提供一种纳米须晶生长机理，该机理使得纳米须晶能在一个非优先生长方向上从一个不对应于优先生长方向的晶面所定义的基材主要表面生长出来。
本发明也提供一种纳米工程结构，包含在一个非优先生长方向上从一个基材主要表面直立起来(或至少有一个初始或基底部分直立起来)的纳米须晶，其中定义该表面的晶面对应于该纳米须晶的非优先生长方向。该纳米须晶的该生长方向较好在其整个长度上得到保持。然而，属于本发明的更广阔范围内的是，该生长方向可以在该须晶基底部分生长之后通过改变该须晶的生长条件(例如构成材料)而从初始的非优先生长方向改变。
更一般地说，本发明提供的纳米须晶包括在基材上生长的、有改善的结构形式的纳米须晶。
为了本说明书之目的，要理解的是，在一个表面或晶面由Miller指数(hk1)定义—其中h、k和1是数值—的情况下，这“对应”于纳米须晶生长方向<hk1>。
本发明另一方面认识到，在审填地希望一种纳米须晶从一个基材表面在一个非优先生长方向上生长的情况下，生长开始时的核化条件可以如此调节，以致在催化微粒与该基材之间的界面上不产生一种会引起该纳米须晶在一个优先生长方向上生长的条件。
因此，按照其另一个方面，本发明提供一种在一个提供预定晶体平面的基材表面上的纳米须晶生长方法，该方法包含在该基材表面上提供至少一个催化微粒，和从每个所述催化微粒在一个属于该纳米须晶的非优先生长方向的预定生长方向上生长一种纳米须晶，且生长开始时的核心条件调整得能控制每个所述催化微粒与该基材之间的界面，使得所述晶体平面像所述基材表面那样保持在该界面上，从而能定义和稳定所述预定生长方向。该纳米须晶可以是与该基材的相同的材料，也可以是与该基材的不同的材料。
按照本发明，该纳米须晶生长方向可以通过在该核化事件开始时控制表面条件来定义和稳定化。这种核化会受到该基材表面上催化微粒的预处理强烈影响。惯常地，在将该催化微粒提供于该基材表面上之后，并在纳米须晶生长启动之前，执行一个高温退火步骤。在这样一个退火步骤中，基材材料被该催化微粒所消耗或溶解于其中，这造成该催化微粒坐落于其中的基材表面降低或凹穴。这样的凹穴可以使(111)这样的晶面裸露出来，从而可能引起在<111>这样的优先方向上垂直于这样的晶面的纳米须晶生长。因此，在本发明实施时，较好省略这样一个退火步骤。更一般地说，初始纳米须晶生长的核化阶段较好包含从气相中吸收成分材料来创造该催化微粒内的过饱和条件；基材材料不在显著程度上做出贡献。
当核化条件启动时，较好保持尽可能低的、与确保恰当核化与生长相一致的温度。进而，已经发现，该催化微粒当在这样的条件下加热时可能对下面的基材表面执行一种“熨斗”效应从而“消除”不规则性、原子台阶等，这进一步有助于保持一个充分定义的表面。该表面可以等于原子上平整的表面而无原子台阶等，因此，纳米须晶除在所希望的非优先方向上生长外别无其它可能性。然而，为了迫使其在所希望的方向上生长，完美的原子平整性可能不是必要的。
进而，催化微粒虽然通常为非反应性材料例如Au但可以由该纳米须晶的构成元素(例如第III族材料如In)形成或包括该构成元素。因此，核化和过饱和条件可以更快地达到，并减少从其周围吸收到该催化微粒中的构成材料数量。
在一个进一步方面，本发明提供一种结构，包含一种有一个能提供一个(001)晶体平面的表面的基材，和至少一种至少在初始阶段从该表面在一个相对于该表面而言的<001>方向上延伸的纳米须晶，其中该<001>方向对应于该纳米须晶的一个非优先生长方向，就在于一个或多个其它方向更有益于生长。
在一个更一般的方面，本发明提供一种结构，包含一种有一个由一个预定晶体平面定义的主要表面的基材，和至少一种至少在初始阶段从该表面在一个对应于该晶体平面的方向上延伸的纳米须晶，其中该纳米须晶的方向是该纳米须晶的一个非优先生长方向，就在于一个或多个其它方向更有益于生长。
已经发现，III-V材料的(001)表面当暴露于气态形式的适当材料时尤其有益于整体取向生长。这可能竞争、抑制、或妨碍纳米须晶生长。
按照本发明的一个进一步方向，一种基材表面上纳米须晶生长方法包含将至少一个催化微粒配置于该基材表面上，该基材表面提供一个预定晶体平面，和从每个所述催化微粒在一个预定方向上从不对应于该纳米须晶的优先生长方向的表面生长出一种纳米须晶，且其中在生长条件建立之前在该基材表面上形成一种钝化材料掩膜以抑制用来形成该纳米须晶的材料的整体生长。
在一种较好的实施方案中，本发明提供一种在III-V半导体材料基材的(001)表面上的纳米须晶生长方法，其中将至少一个催化微粒配置于该(001)基材表面上，并建立生长条件其中施加热量，并以气态形式导入构成材料，用来从每个所述催化微粒在相对于该表面而言的<001>方向上生长一种纳米须晶，且其中在生长条件建立之前在该基材表面上形成一种钝化材料掩膜以抑制整体生长。
在一个进一步方面，本发明提供一种结构，包含一种有一个由预定晶面定义的表面的基材，和至少一种从所述表面在一个对应于所述晶面但不对应于该纳米须晶的优先生长方向的方向上延伸的纳米须晶，和一层配置于该基材表面上的钝化材料。
在一种较好的形式，该结构包含一种有一个(001)表面的III-V半导体材料的基材，和至少一种从所述表面在一个相对于该表面而言的<001>方向上延伸的纳米须晶，和一层配置于该基材表面上的钝化材料。
该钝化材料掩膜可以是氧化硅或氮化硅，如2004年1月7日提交的实审中美国专利申请No.10/751,944(其全文列为本文参考文献)中所描述的。每个催化微粒都可以配置在该掩膜内的各自小孔中。替而代之，和作为较好的，可以采用一层沉积在该基材和催化微粒上的含碳材料。一种特别好的材料是赖氨酸(一种氨基酸)。当加热时，该材料分解留下一薄层含碳和用来抑制在该基材上的整体生长的材料，该薄层可以薄到一个单分子层。尽管该层还涂布了该催化微粒，但它是如此薄，以致它不会扰动或抑制纳米须晶生长。
作为一种将该催化微粒定位在该基材表面上的方法，较好使用该微粒从一种气溶胶的沉积。可以采用一种如国际专利申请公报No.WO01/84238(其全文列为本文参考文献)中所述的方法。在希望使用石印法将催化微粒例如金定位在该基材上的情况下，适当的是确保各工艺步骤例如刻蚀掩膜以定义该催化微粒的位置中无一造成所不希望的下陷。
关于该催化微粒的材料，这可以包含一种非反应性材料例如Au。替而代之，该Au可以与诸如一种第III族材料合金而成为该纳米须晶化合物的一部分。替而代之，该微粒可以是非均相的—例如有一个Au区域和一个第III族材料区域。替而代之，该催化微粒可以是整个由第III族材料例如In构成的。
关于该纳米须晶的材料，这不一定是与基材的相同的，而可以是任何所希望的材料。当在半导体基材上形成半导体纳米须晶时，该须晶的材料可以是与该基材材料的同一半导体族的，也可以是不同半导体族的。以下所述的而且已经达到优异结果的一种具体实施方案涉及在一个(001)InP基材表面上在<001>方向上生长的InP纳米须晶。
除III-V材料外，可以将第IV族和第II-VI族半导体材料及其它基材材料的基材用于纳米须晶生长。商业上提供的III-V材料基材通常有(001)表面；而有(111)表面的基材则昂贵得多。虽然以下参照InP描述了本发明的具体实施方案，但本发明也可以用例如GaP和InAs基材实施。含Ga材料的基材可能有更厚和更具抗性的、较好应当在核化之前去除的氧化物形成，但在基材表面上不形成凹穴。
在第IV族半导体基材材料当中，Si在电子部件制造中广泛用来作为基材材料。稳定的硅表面包括(001)、(111)、和(113)。大多数电子部件是在(001)表面上制作的。此前，已经从(001)表面在优先的(和斜交的)<111>方向上生长出纳米须晶。然而，按照本发明的技术，纳米须晶可以在正交于不对应于优先生长方向的此类表面的方向上—例如在<001>方向上从(001)表面生长出来。
本发明原则上可应用于可以用于制造纳米须晶及其基材的任何一种材料。这样的材料通常是由第II族至第VI族元素构成的半导体。这样的元素包括但不限于下列元素：
第II族：Be、Mg、Ca、Zn、Cd、Hg；
第III族：B、Al、Ga、In、Tl；
第IV族：C、Si、Ge、Sn、Pb；
第V族：N、P、As、Sb；
第VI族：O、S、Se、Te。
半导体化合物通常由2种元素生成而制成III-V化合物或II-VI化合物。然而，也采用涉及例如来自第II族或来自第III族的2种元素的三元或四元化合物。可以采用元素的化学论量或非化学论量混合物。
III-V材料和II-VI材料包括但不限于下列：AlN，GaN，SiC，BP，InN，GaP，AlP，AlAs，GaAS，InP，PbS，PbSe，InAs，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，AlSb，GaSb，SnTe，InSb，HgTe，CdTe，ZnTe，ZnO。
还有本发明适用的很多半导体材料：见例如“Handbook ofChemistry and Physics”-CRC-Properties of Semiconductors-仅供更完全的处理。
按照本发明，半导体基材可以选自以上第IV族、III-V或II-VI材料之一，而纳米须晶可以选自相同或不同的第IV族、III-V或II-VI材料。
附图简要说明
现在参照附图描述本发明的较好实施方案，其中：
图1(a)～1(d)是按照本发明在InP基材(001)上InP纳米须晶的SEM影像：(a)顶视图，(b)放大顶视图，(c)基材上的30°斜视图，(d)基材顺时针旋转40°后的单须晶放大图。
图2(a)和2(b)是按照不同起始(核化)条件引起的不同生长方向来解释本发明的示意图。
图3(a)～3(e)是InP纳米须晶的TEM影像，说明相对于在优先<111>B方向上生长的纳米须晶而言按照本发明在非优先<001>方向上生长的纳米须晶的比较特征。
图4(a)显示来自按照本发明的<001>纳米须晶(粗线)和典型<111>B须晶(细线)的光致发光谱，而图4(b)是有图4(a)中光致发光谱的<001>须晶的SEM影像。
发明实施方式
按照本发明，已经发现，在一个非优先方向上(例如，从(001)晶体平面在<001>方向上)纳米须晶的生长一旦建立就是稳定的。本发明更具体地认识到通过控制核化事件开始时的条件来定义和稳定生长方向是可能的。
以下讨论描述了本发明对在(001)InP基材上直接由金属有机蒸气相取向生长而生长的[001]InP纳米须晶的应用实例。该纳米须晶用扫描电子显微镜法和透射电子显微镜法进行表征，并发现有实质上优于在优先<111>B方向上生长的比较须晶的结构特征的结构特征，如同以下将详细讨论的。
InP纳米须晶是使用低压-金属有机蒸气相取向生长(MOVPE)法生长的。将气溶胶产生的50nm Au微粒沉积在(001)InP基材上，然后将后者置于一个RF加热石墨感受器上的卧式反应器室内。使用压力为100mBar(10kPa)、流量为6L/min的氢载气。向该反应器室中供应摩尔分数为1.5×10-2的恒定膦流量，用5分钟时间将样品加热到420℃。在这个升温步骤之后，立即通过将三甲基铟(TMI)导入该反应器室中开始纳米须晶的生长。TMI摩尔分数为3×10-6，典型的生长时间是8分钟。应当注意的是，这种纳米须晶生产方法区别于常用的纳米须晶生长程序，其中Au微粒在须晶生长之前在较高温度下退火以期使表面去氧化并使该Au催化剂与该半导体材料形成合金。此外，为了改善与(001)表面上的竞争性整体生长有关的[001]纳米须晶生长，先将有沉积的Au微粒的基材浸入一种聚-L-赖氨酸溶液中、然后将其插入该生长室。已知L-赖氨酸(2，6-二氨基己酸)是一种蒸气压低的粘合活性物质。其一水合物在212-214℃之间熔融分解，在该表面上留下一个薄的钝化层。这一层防止在裸(001)InP表面上的InP生长。
样品表征是使用一台在15kV运行的JSM 6400F场致发射扫描电子显微镜(SEM)进行的。图1(a)～1(d)显示按以上所述程序生长的[001]InP纳米须晶的SEM影像。图1(a)是顶视图。图1(b)是放大顶视图。图1(c)是与基材斜交30°角的视图，而图1(d)显示该基材顺时针旋转40°之后单须晶的放大图。在图1(b)中，由[001]取向须晶的阶式{110}侧面形成的矩形须晶形状是显而易见的。
[001]须晶生长的最显著效果是所观察到的高度完美结晶。图3(a)～3(e)显示在[001]和作为比较的<111>B上生长的InP丝的高分辨透射电子显微镜(TEM)影像。该[001]丝显然是无缺陷的，而<111>B生长的须晶含有高浓度堆垛层错。<111>B的六角形或立方形堆垛序列的能量差异小，作为垂直于生长方向的平面缺陷的堆垛层错可以自由地终止于该纳米须晶侧面。[001]生长期间类似缺陷的形成会需要克服活化壁垒来产生弗兰克部分位错。图3(a)是显示无缺陷[001]生长纳米须晶的侧视图。图3(b)是图3(a)中方框区域的放大，显示[110]投影中无缺陷闪锌矿结构的原子晶格。图3(c)是[110]投影的傅里叶变换。图3(d)是一幅侧视图，显示一种惯常生长的<111>B方向纳米须晶，在沿整个晶丝上充满堆垛层错。图3(e)是图3(d)纳米须晶的闭合，显示导致纤锌矿结构片断的镜面堆垛层错。
图3(a)～3(e)的TEM影像是从通过让TEM格栅触及该纳米须晶基材而从该基材上折断的纳米须晶拍摄的。
在[001]上生长的纳米须晶的更高材料完美性在光致发光研究中也是显而易见的。为了进行光致发光(PL)研究，将纳米须晶转移到一枚热氧化的Si片上，该Si片上产生了金图案以便利PL研究的须晶的定位和识别。测定是在液He温度下进行的。使用在532nm发射的频率倍增Nd-YAG激光器激发。该发光是通过一台光学显微镜收集、通过一台分光计分散、由一台液N2冷却的CCD检测的。
按照本发明生长的单一[001]InP纳米须晶的光致发光测定显示出在大约1.4eV的窄且强发射峰，而<111>B惯常生长参照须晶显示出在较低能量的额外宽阔发光峰。图4(a)显示来自本发明的<001>纳米须晶的光致发光谱，有与该须晶相联系的强烈带隙相关发光(粗线)，而典型的<111>B须晶有在较低能量的较弱发光和额外的宽峰(细线；叠加在宽主特色顶上的小峰是该CCD内部干扰引起的后生物)。图4(b)显示一种在图4(a)中显示强PL的<001>须晶的SEM影像。
有退火的情况与无退火的情况之间的差异可以用图2(a)和2(b)中的图示来解释。图2(a)显示退火后从(001)表面上的小Au滴上的生长。InP会局部地溶解而形成Au/In合金，导致形成一个坑。该坑内的两个侧面有{111}B特征。在高温(＞500℃)，InP会局部地溶解而与Au反应。在该坑内在这样的条件下发展的典型Au/半导体界面是低能面{111}B和{011}，而不是定义基材主表面的(001)面。这样的低能量面上的核化可能是常观察到的[1-11]和[-111]须晶生长的以及更少观察到的、为GaAs-MBE报告的<011>方向的起始点。
图2(b)显示按照本发明从无退火的小Au滴的生长。Au/In合金通过Au与TMI反应生成，使得该小Au滴下的(001)表面依然基本上保持原样。不在较高温度下退火，InP与Au之间的反应会受到抑制。溶解于该小Au滴内的In和P将大部分来自蒸气相中TMI和PH3的供应而不以基材材料为代价。当达到临界过饱和时，核化就在InP(001)/Au界面开始，因此，可以将晶丝生长控制得能在[001]方向上发生。在所有样品中，都发现了以[001]晶丝为主的区域，但也发现了以<111>B晶丝为主的区域。由于使用轻微误取向的基材(0.2°)，因而这种不同行为可能是由于(001)基材表面上阶梯结构的横向差异引起的。
因此，将知道的是，本发明除其它优点外还能达到(1)属于无堆垛层错的高度完美闪锌矿晶体、显示出强烈单晶丝发光的纳米晶丝，和(2)能在工业上可行的(001)基材取向上垂直生长。

Claims (61)

1.一种纳米须晶生长方法，包含：
将一个催化微粒配置于一个基材表面上，该基材表面提供一个预定晶体平面；和
使纳米须晶的至少一个基底部分从该催化微粒在一个预定生长方向即该纳米须晶的非优先生长方向上生长，将生长开始时的核化条件调整得能控制该催化微粒与该基材之间的界面，使得能将所述晶体平面作为所述基材表面保持在该界面上，从而能限定和稳定所述预定生长方向。
2.按照权利要求1的方法，其中将条件调整得能达到该纳米须晶的核化，且该催化微粒实质上不消耗来自该基材的材料。
3.按照权利要求1的方法，其中将条件调整得能避免在该催化微粒与该基材之间的界面上产生小坑或凹穴。
4.按照权利要求1的方法，其中将条件调整得在该催化微粒与该基材之间的界面上不裸露出一个对应于纳米须晶生长优先方向的晶面。
5.按照权利要求1的方法，其中配置于基材表面上的催化微粒不经初始退火就能开始须晶核化。
6.按照权利要求1的方法，其中所述纳米须晶包含一种III-V半导体化合物。
7.按照权利要求6的方法，其中铟是该半导体化合物的第III族成分。
8.按照权利要求6的方法，其中该预定方向是<001>方向。
9.按照权利要求1的方法，其中所述晶体平面是一个(001)平面。
10.按照权利要求1的方法，其中该基材包含一种III-V半导体化合物。
11.按照权利要求10的方法，其中铟是该半导体化合物的第III族成分。
12.按照权利要求1的方法，其中在生长条件建立之前在该基材表面上形成一种钝化材料掩膜抑制整体生长。
13.按照权利要求12的方法，其中该掩膜是一种在该基材表面上蒸发以提供一个含碳薄层的含碳材料。
14.按照权利要求13的方法，其中该掩膜是从一种氨基酸形成的。
15.按照权利要求1的方法，其中所述催化微粒是从一种气溶胶沉积到该基材表面上的。
16.按照权利要求1的方法，其中该催化微粒是至少部分地用一种能构成该纳米须晶的一部分的构成元素预形成的。
17.按照权利要求1的方法，其中纳米须晶生长是在低温进行的，以便抑制基材材料对该纳米须晶生长的贡献。
18.一种纳米须晶生长方法，包含：
在(001)基材表面上提供一种催化微粒；和
建立生长条件，其中施加热量并以气态形式导入构成材料，从而从该催化微粒生长一种有至少一个III-V半导体化合物基底部分的纳米须晶，
其中生长开始时的核化条件调整得使该纳米须晶的基底部分从该基材表面在<001>方向上生长出来。
19.按照权利要求18的方法，其中将条件调整得在该催化微粒与该基材之间的界面上不产生小坑或凹穴。
20.按照权利要求18的方法，其中将条件调整得在该催化微粒与该基材之间的界面上不裸露出一个对应于纳米须晶生长优先方向的晶面。
21.按照权利要求18的方法，其中配置于基材表面上的催化微粒不经初始退火就能开始须晶核化。
22.按照权利要求18的方法，其中铟是该半导体化合物的第III族成分。
23.按照权利要求18的方法，其中该基材包含一种III-V半导体化合物。
24.按照权利要求23的方法，其中铟是该半导体化合物的第III族成分。
25.按照权利要求18的方法，其中该催化微粒是从一种气溶胶沉积到该基材表面上的。
26.按照权利要求18的方法，其中该催化微粒是至少部分地用一种能构成该纳米须晶的一部分的构成元素预形成的。
27.按照权利要求18的方法，其中纳米须晶生长是在低温进行的，从而抑制了基材材料对该纳米须晶生长的贡献。
28.一种结构，包含
一种基材，其主要表面由一个预定晶体平面限定；和
至少一种纳米须晶，其至少一个基底部分从该表面在一个对应于该晶体平面的方向上延伸，
其中所述方向是该纳米须晶的非优先生长方向。
29.按照权利要求28的结构，其中所述纳米须晶包含一种III-V半导体化合物。
30.按照权利要求29的结构，其中铟是该半导体化合物的第III族成分。
31.按照权利要求28的结构，其中该基材包含一种III-V半导体化合物。
32.按照权利要求31的结构，其中该化合物的第III族部分包括铟。
33.按照权利要求28的结构，其中该纳米须晶的横截面是实质上矩形的。
34.一种结构，包含
一种半导体材料基材，其一个表面提供一个(001)晶体平面；和
至少一种纳米须晶，其至少一个III-V半导体材料基底部分从该表面在相对于该表面而言的<001>方向上延伸，
其中该<001>方向是该纳米须晶的非优先生长方向。
35.一种纳米须晶生长方法，包含
提供一种基材，其一个主要表面由一个预定晶体平面限定；
在该基材表面上配置一种催化微粒；和
建立生长条件，其中施加热量和导入气态形式的构成材料，从而从该基材表面经由该催化微粒在一个预定方向即该纳米须晶的非优先生长方向上生长一种纳米须晶的至少一个基底部分，
其中，在生长条件建立之前，在该基材表面上形成一种钝化材料掩膜，以抑制会与该纳米须晶在所述预定方向上的生长竞争的整体生长。
36.按照权利要求35的方法，其中所述纳米须晶包含一种III-V半导体化合物。
37.按照权利要求36的方法，其中铟是该半导体化合物的一种第III族成分。
38.按照权利要求35的方法，其中该基材包含一种III-V半导体化合物。
39.按照权利要求38的方法，其中铟是该半导体化合物的一种第III族成分。
40.按照权利要求39的方法，其中该掩膜是一种在该基材表面上蒸发以提供一个含碳薄层的含碳材料。
41.按照权利要求40的方法，其中该掩膜是从一种氨基酸形成的。
42.按照权利要求35的方法，其中该掩膜是在该催化微粒配置于该基材表面上之后提供的。
43.按照权利要求35的方法，其中该纳米须晶生长的启动无需一个临开始前退火步骤。
44.按照权利要求35的方法，其中生长开始时的核化条件调整得能控制该催化微粒与该基材之间的界面，使得所述晶体平面作为所述基材表面保持在该界面上，从而限定和稳定所述生长方向。
45.一种纳米须晶生长方法，包含：
将一种催化微粒配置于一个(001)基材表面上；和
建立生长条件，其中施加热量并导入气态形式的构成材料，从而从该催化微粒在相对于该基材表面而言的<001>方向上生长一种包括III-V半导体化合物的纳米须晶的至少一个基底部分，
其中，在生长条件建立之前，在该基材表面上形成一种钝化材料掩膜，以抑制该半导体化合物在该基材表面上的整体生长。
46.一种结构，包含一种有一个(001)表面的半导体材料基材，和至少一种纳米须晶，其至少一个包括一种III-V半导体材料的基底部分从该基材表面在一个相对于该基材表面的<001>方向上延伸，和一层配置于该基材表面上的钝化材料。
47.一种结构，包含一种有一个由一个预定晶面限定的主要表面的基材，和至少一种纳米须晶，其至少一个基底部分从所述表面在一个对应于所述晶面的方向即该纳米须晶的非优先生长方向上延伸，和一层配置于该基材表面上的钝化材料。
48.按照权利要求47的结构，其中所述纳米须晶包含一种III-V半导体化合物。
49.按照权利要求48的结构，其中铟是该半导体化合物的一种第III族成分。
50.按照权利要求48的结构，其中该纳米须晶有实质上矩形的横截面。
51.按照权利要求48的结构，其中该钝化材料由一薄层含碳材料构成。
52.按照权利要求1的方法，其中该纳米须晶的实质上整个长度都是在所述预定方向上生长的。
53.按照权利要求18的方法，其中所述纳米须晶的实质上整个长度都是在所述<001>方向上生长的。
54.按照权利要求28的结构，其中实质上该纳米须晶的整个长度都在对应于该晶体平面的所述方向上延伸。
55.按照权利要求34的结构，其中实质上该纳米须晶的整个长度都在所述<001>方向上延伸。
56.按照权利要求35的方法，其中该纳米须晶的实质上整个长度都在所述预定方向上生长。
57.按照权利要求45的方法，其中所述纳米须晶的实质上整个长度都在所述<001>方向上生长。
58.按照权利要求46的结构，其中实质上该纳米须晶的整个长度都在所述<001>方向上延伸。
59.按照权利要求47的结构，其中实质上该纳米须晶的整个长度都在对应于该晶面的所述方向上延伸。
60.一种方法，包含
提供一种有一个由一个预定晶体平面限定的主要表面的基材，和
从该基材表面用VLS方法生长一种纳米须晶，使得该纳米须晶的至少一个基底部分从该基材表面在一个非优先生长方向上生长。
61.一种结构，包含一种用权利要求60的方法生长的纳米须晶。
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