一種外延定向生長、轉移和集成平面半導體納米線的方法
【專利說明】
一、技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光電材料和器件領域，特別是關于在晶體襯底上直接生長高質量單晶外延半導體納米線的方法及得到納米線結構。
二、【背景技術】
[0002]當前社會微電子及光電子器件等半導體器件已經廣泛應用于現代科技、國民經濟和日常生活中的方方面面，這些品種繁多的半導體器件與材料的外延技術密切相關。
[0003]半導體納米線結構由于其獨特的光學及電學性質，在電子器件、光電探測、生物醫(yī)學、傳感器等方面有非常廣闊的應用前景。目前，半導體納米線主要是通過VLS方法制備，而這種方法制備出的納米線是豎直的，需要首先把其轉移到平面襯底上。因此，在晶體襯底制備高質量的平面外延半導體納米線的工藝具有現實的應用價值和廣闊的應用前景。
[0004]VLS生長機制的一般要求必須有催化劑的存在，生長材料首先被蒸發(fā)成氣態(tài)，在適宜的溫度下，催化劑能與生長材料的組元互熔形成液態(tài)的共熔物，生長材料的組元不斷從氣相中獲得，當液態(tài)中熔質組元達到過飽和后，晶須將沿著固-液界面一擇優(yōu)方向析出，長成線狀晶體。很顯然催化劑的尺寸將在很大程度上控制所生長晶須的尺寸。實驗證明這種生長機制可以用來制備大量的單質、二元化合物甚至更復雜的單晶，而且該方法生長的單晶基本上無位錯，生長速度快。通過控制催化劑的尺寸可以制備出大量的準一維納米材料。
[0005]液-液相-固相(SLS)生長機制SLS生長的機理有點類似于VLS機制，與VLS機制的區(qū)別僅在于，在VLS機制生長過程中，所需的原材料由氣相提供；而在SLS機制生長過程中，所需的原料是從溶液中提供的，一般來說，此方法中常用低熔點金屬(如In、Sn或Bi等)作為助溶劑(fluxdroplet)，相當于VLS機制中的催化劑。美國華盛頓大學Buhro小組在低溫下通過SLS機制獲得了高結晶度的半導體納米線，如InP、InAs、GaAs納米線，這種方法生長的納米線為多晶或近單晶結構，納米線的尺寸分布范圍較寬。
三、
【發(fā)明內容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明的目的是，提供一種制備高質量平面半導體納米線的方法。尤其是外延定向生長、轉移和集成方法制備平面半導體納米線。
[0007]本發(fā)明采取以下技術方案:外延定向生長、轉移和集成平面半導體納米線的方法，其步驟如下:1)對晶體襯底(如硅襯底、藍寶石等與所生長納米線晶格所匹配的晶體襯底)進行前期處理，去掉表面氧化層；如用HF溶液對襯底處理，暴露出硅襯底的晶體表面；2)蒸鍍In、Sn等誘導金屬膜，誘導In、Sn金屬(如以掩模板的方式蒸鍍出)生長出金屬膜圖案，金屬膜厚度在幾個納米到幾十個納米；3)在PECVD系統(tǒng)中利用等離子體處理技術，在溫度200°C -500°C、功率2W-50W時進行處理，使金屬膜收縮成為直徑在幾十納米到幾微米之間的準納米催化顆粒；4)、繼續(xù)在PECVD系統(tǒng)中覆蓋生長一層適當厚度(幾納米至幾百納米)的非晶硅層作為前驅體介質層；5)、非晶硅層在真空中或者氫氣、氮氣等非氧化性氣氛中退火(溫度在280-500°C以上)，利用IP-SLS生長模式在非晶硅層生長獲得外延硅或鍺納米線。
[0008]進一步的，利用陽極鍵合等轉移技術把生長的外延硅或鍺納米線轉移到其他目標襯底上。
[0009]進一步的，本發(fā)明方案可以通過調整生長過程中等離子體處理時間功率及溫度、覆蓋非晶硅厚度及生長的溫度條件、退火溫度及時間等參數來調控外延硅或鍺納米線的生長，得到直徑、長度、生長方向可調的外延硅納米線。
[0010]進一步的，誘導金屬既可以是In、Bi或者Sn，也可以是其他可以誘導生長平面納米線的金屬。
[0011]進一步的，外延生長的納米線既可以是硅納米線，也可以是以前驅體為非晶鍺生長的鍺納米線以及其他可誘導生長的半導體納米線，納米線既可以是本征納米線也可以是通過控制摻雜前驅體生長的摻雜納米線。例如，在覆蓋非晶硅是加入PH3，形成N型非晶硅前驅體，從而生長出N型摻雜的硅納米線。
[0012]誘導金屬的圖案既可以用掩膜板，也可以利用光刻技術、納米壓印技術得到。
[0013]納米的生長既可以是沿著某晶格方向的晶格外延生長，也可以是沿著某特定晶向切割后形成的圖形的圖形外延生長。
[0014]生長外延納米線的襯底既可以是平面襯底，也可以是平面襯底沿著某個晶向切割后的圖形襯底。
[0015]納米線的轉移技術既可以是陽極鍵合技術，也可以是其他納米線的轉移技術。
[0016]本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明采用IP-SLS方法在PECVD系統(tǒng)中生長外延半導體納米線。IP-SLS方法可以生長平面納米線，結合外延技術就可以生長出高質量的平面外延單晶半導體納米線。外延半導體納米線是沿著晶體襯底的特殊晶向生長的，這樣就可以生長出自定向的硅納米線。結合光刻技術定位催化顆粒的位置后就可以得到自定位、自定向的平面外延硅納米線。由于此類納米線與襯底的外延界面可以有效調節(jié)，此類外延平面納米線可以進一步進行剝離和轉移到其他柔性襯底之上。由于其生長方向順延晶體特有晶向，可以方便地進行電學器件連接和集成。本項技術為基于平面半導體納米線的高性能場效應晶體管、傳感器和光電器件提供了關鍵技術基礎。在高性能場效應晶體管、傳感器和光電器件的應用方面有著廣闊的前景。
四、【附圖說明】
[0017]圖1:平面外延硅平面納米線生長過程流程圖。
[0018]圖2:Si (100)襯底上平面外延硅納米線SEM形貌圖；
[0019]圖3:藍寶石襯底上平面外延硅納米線SEM形貌圖。
五、【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。流程圖如附圖1所示。一種外延定向生長、轉移和集成平面半導體納米線的技術，
[0021]實施例1、Si (100)襯底上外延定向生長平面硅納米線包括以下步驟:
[0022]I)采用Si (100)襯底，用HF溶液對襯底處理，除去襯底的表面氧化層，暴露出硅襯底的晶體表面。
[0023]2)利用shadow mask為掩模板蒸鍍In或者Sn等誘導金屬圖案(厚度在幾個納米到幾十個納米，)。誘導金屬的圖案既可以用掩膜板，也可以利用現有的光刻技術、納米壓印技術得到。
[0024]3)在PECVD系統(tǒng)中，在1-50W功率下利用等離子體處理技術100°C _400°C的溫度下形成直徑在幾十納米到幾個微米之間的納米催化顆粒。
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