專利名稱：硅納米線結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維納米材料，尤其涉及一種硅納米線的結(jié)構(gòu)及其合成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展主題是更小、更快、更低能耗。然而，從微米電子時(shí)代進(jìn)入納米電子時(shí)代之后，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)--光刻工藝(屬于所謂“自上而下”的技術(shù))逐漸到達(dá)其所能企及的極限，顯得越來(lái)越難以滿足現(xiàn)在和未來(lái)的要求。由此，“自下而上”的技術(shù)，或稱為自組裝技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。目前，人們已經(jīng)利用這種“自下而上”的技術(shù)合成了各種納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米管，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括納米電子、納米光學(xué)、納米感測(cè)器等。由于硅是目前半導(dǎo)體業(yè)界最常用的材料，所以，相對(duì)而言，對(duì)硅納米線的合成和研究顯得較多。早在1964年，Wagner等人已經(jīng)在硅基底上垂直合成微米級(jí)的硅須(Silicon Whisker)，具體請(qǐng)參見(jiàn)Appl.Phys.Lett.1964，4，89。發(fā)展到目前，硅納米線的合成方法包括催化劑化學(xué)氣相沉積(Catalytic Chemical Vapor Deposition，CCVD)，激光蒸發(fā)法(LaserEvaporation)，直接熱蒸發(fā)法(Direct Thermal Evaporation)，模板合成法(Template Synthesis)等。但是，現(xiàn)有方法大多只能合成彎曲纏繞的、長(zhǎng)度較小的納米線，并且?jiàn)A雜許多雜質(zhì)。
2001年11月6日公告的美國(guó)專利第6,313,015號(hào)揭示一種硅納米線和納米顆粒鏈(Nanoparticle Chains)的生長(zhǎng)方法。該方法利用熱蒸發(fā)，激光燒蝕，等離子體或磁控濺射法將一氧化硅蒸發(fā)出來(lái)，在惰性氣體保護(hù)下，于800至1000度的基底上合成硅納米線和納米顆粒鏈。硅納米線沿<112>方向生長(zhǎng)，而無(wú)方向的納米顆粒則形成納米顆粒鏈。顯然，這種方法夾雜有納米顆粒雜質(zhì)，且相對(duì)于基底，硅納米線的形成方向并不確定，不利于其實(shí)際應(yīng)用。
Yiying Wu等人在2002年發(fā)表于“Nano Letters，2002，Vol.2，No.2，P83-86”的一篇題為“Block-by-Block Growth of Single-Crystalline Si/SiGeSuperlattice Nanowires”的論文上描述一種單晶Si/SiGe超晶格納米線的生長(zhǎng)及其機(jī)理。其是在(111)硅晶片(Si Wafer)上涂覆一層厚度約20納米的金薄膜置于石英爐內(nèi)，并通入H2和SiCl4于高溫下發(fā)生反應(yīng)，其中SiCl4和H2的比值是0.02，同時(shí)利用脈沖激光間斷的燒蝕一Ge靶，從而在硅晶片上垂直生長(zhǎng)出硅納米線，其中含有Si/SiGe超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法僅揭示了垂直生長(zhǎng)的硅納米線，并未揭露其他方向可控的硅納米線及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的納米線方向單一、無(wú)法控制等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明之目的在于提供一種硅納米線結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)方向可控制，并可具有多個(gè)預(yù)定的生長(zhǎng)方向。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種硅納米線結(jié)構(gòu)，其包括一硅晶片基底，其包括一任意晶向的晶面，多根硅納米線生長(zhǎng)在所述晶面；其中，所述硅納米線沿所述晶面的傾斜的外延<111>方向形成。
對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的一個(gè)方面，所述晶面包括(100)晶面，所述硅納米線與所述(100)晶面成35.3度夾角。這種硅納米線可以具有四個(gè)外延<111>方向。
對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述晶面包括(110)晶面，所述硅納米線與所述(110)晶面成54.7度夾角。這種硅納米線可以具有兩個(gè)外延<111>方向。
對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述晶面包括(111)晶面，所述硅納米線可以沿四個(gè)外延<111>方向，其中一個(gè)方向與所述(111)晶面垂直，另外三個(gè)方向與所述(111)晶面成19.4度夾角。
上述硅納米線的直徑范圍為50納米至250納米。其長(zhǎng)度可達(dá)10微米至數(shù)十微米。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其包括下列步驟在硅晶片的晶面上形成一層金屬催化劑層；將含有金屬催化劑的硅晶片置于石英管內(nèi)，在500至1000度反應(yīng)溫度下、通入含硅的反應(yīng)氣及氫氣進(jìn)行反應(yīng)，并確保反應(yīng)氣含硅的量與氫氣的摩爾比值為0.05～0.4，在石英管內(nèi)壁沉積硅并逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)；在硅晶片的晶面上生長(zhǎng)出硅納米線。
其中，所述硅晶面包括(100)晶面，(110)晶面以及(111)晶面。
其中，金屬催化劑層是薄膜狀或顆粒狀，其厚度或粒徑為數(shù)納米至數(shù)百納米，金屬催化劑包括金和鐵。
其中，含硅的反應(yīng)氣包括鹵化硅，硅烷及其衍生物以及鹵硅烷。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)首先，本發(fā)明的硅納米線結(jié)構(gòu)具有確定的方向，并且，這些方向可包括多個(gè)方向；使得本發(fā)明的硅納米線結(jié)構(gòu)可以構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)，或直接應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

圖1A和圖1B是本發(fā)明在(100)硅晶片基底外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的SEM圖；圖1C是本發(fā)明在(100)硅晶片基底上外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的HRTEM圖；圖1D是硅納米線在(100)硅晶片基底上的四個(gè)<111>外延生長(zhǎng)方向示意圖；圖2A和圖2B是本發(fā)明在(110)硅晶片基底外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的SEM圖；圖2C是本發(fā)明在(110)硅晶片基底上外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的HRTEM圖；圖2D是硅納米線在(110)硅晶片基底上的兩個(gè)<111>外延生長(zhǎng)方向示意圖；圖3A、圖3B和圖3C是本發(fā)明在(111)硅晶片基底外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的SEM圖；圖3D是本發(fā)明在(111)硅晶片基底上外延生長(zhǎng)的硅納米線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的HRTEM圖；圖3E是硅納米線在(111)硅晶片基底上的四個(gè)<111>外延生長(zhǎng)方向示意圖；圖4是本發(fā)明采用的制備裝置的示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合說(shuō)明書附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)描述。
本發(fā)明是采用外延生長(zhǎng)方法在晶體上外延生長(zhǎng)納米線。通過(guò)控制生長(zhǎng)條件從而實(shí)現(xiàn)可控的晶體外延生長(zhǎng)(Epitaxial Growth)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成方向和結(jié)構(gòu)可控的納米線。
本發(fā)明可以在硅晶片任意晶向的晶面上生長(zhǎng)硅納米線，并構(gòu)筑新型的硅納米線陣列結(jié)構(gòu)。
在實(shí)施例中，是采用(100)、(110)及(111)硅晶片為生長(zhǎng)基底。所謂(100)硅晶片、(110)硅晶片及(111)硅晶片是指含有(100)、(110)及(111)晶面的硅晶片，并以上述三個(gè)晶面作為外延生長(zhǎng)面。將完整的硅晶體沿預(yù)定方向切割，即可得到三種晶面的硅晶片。
在實(shí)施制備之前，首先要準(zhǔn)備好上述三種硅晶片，并于各硅晶片對(duì)應(yīng)的晶面表面沉積形成一層厚度為納米級(jí)的催化劑薄膜，催化劑可選用金，但不限于金，例如還可選用鐵金屬。催化劑薄膜的厚度對(duì)最終形成的納米線的直徑有直接影響，催化劑薄膜厚度越厚，則生長(zhǎng)所得的納米線直徑越大，反之則越小。一般的，催化劑厚度在數(shù)納米到50納米范圍內(nèi)?？梢赃x擇的，也可以直接在硅晶片的表面撒上粒徑小于300納米的金屬催化劑顆粒。
為方便描述，本實(shí)施例是在三塊較大面積的(100)、(110)及(111)硅晶片上沉積金催化劑薄膜之后，分別將三塊硅晶片切成面積大約10mm×10mm的小塊，并分別編號(hào)，如表1所示表1 三塊硅晶片的切片編號(hào)
為便于比較，本實(shí)施例分為三輪次進(jìn)行，每輪次分別有三塊不同晶面的硅晶片進(jìn)行生長(zhǎng)，即每次分別將一塊(100)、(110)及(111)硅晶片同時(shí)置于反應(yīng)爐中進(jìn)行生長(zhǎng)硅納米線。每輪次采用的硅晶片如表1所示。
在描述制備過(guò)程之前，先介紹制備裝置。首先請(qǐng)參見(jiàn)圖4，是本發(fā)明實(shí)施例采用的制備裝置的示意圖。該制備裝置10包括一加熱爐100；一石英管110，其兩端分別具有一入氣口112和一出氣口114，該石英管110是可活動(dòng)的置于加熱爐100內(nèi)，且其長(zhǎng)度比加熱爐100長(zhǎng)，這樣使得在實(shí)驗(yàn)中推、拉移動(dòng)石英管110時(shí)，總能保持石英管110有一部分可以置于加熱爐100的內(nèi)部；在靠近石英管入氣口112處，設(shè)置有一恒溫容器120，其內(nèi)盛有SiCl4液體，并設(shè)有一通氣管122伸入SiCl4液體內(nèi)，本實(shí)施例中恒溫容器120保持在30度，其出口連接至石英管110靠近入氣口112的部位，當(dāng)在通氣管112通入氣體，則SiCl4蒸氣可以被帶入石英管110中進(jìn)行反應(yīng)。石英管110內(nèi)部可放置一陶瓷反應(yīng)舟116，該陶瓷反應(yīng)舟116上可放置待反應(yīng)的硅晶片118。需要注意的是，本發(fā)明不僅可采用SiCl4作為硅源，還可采用其他含硅的物質(zhì)，例如硅烷類的衍生物，鹵化硅，鹵硅烷等。
制備時(shí)，預(yù)先將加熱爐100升溫至反應(yīng)溫度，其范圍為500至1100度，本實(shí)施例中升溫至900度，此時(shí)，石英管110伸入加熱爐內(nèi)的部分被加熱，而伸出外面的部分仍處于較低溫度，即冷卻部。然后開(kāi)始第一輪生長(zhǎng)首先，將三塊硅晶片11#(100)硅晶片、12#(110)硅晶片及13#(111)硅晶片置于陶瓷反應(yīng)舟116上，然后將該陶瓷反應(yīng)舟116置于石英管110的冷卻部。在入氣口112通入流量為350sccm的高純氬氣作為保護(hù)氣體流經(jīng)石英管110；經(jīng)過(guò)20分鐘后，石英管110內(nèi)的空氣從出氣口114排出完全被清除，將石英管110緩慢推入加熱爐100內(nèi)，使陶瓷反應(yīng)舟116移至加熱爐100的中心加熱區(qū)。推動(dòng)石英管110的速度最好應(yīng)該緩慢，最好確保加熱爐的溫度變化小于10度。在加熱爐100的溫度保持在900度時(shí)，將入氣口112通入的氬氣替代為流量為250sccm的氫氣；并且由通氣管122通入流量為100sccm的氫氣，氫氣經(jīng)過(guò)恒溫容器120并將SiCl4蒸氣帶入石英管110進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)然，本發(fā)明不限于上述流量，只要能夠確保帶入的SiCl4與氫氣的摩爾比例保持在0.05～0.4范圍內(nèi)即可，優(yōu)選范圍是0.05～0.2。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的SiCl4的量可通過(guò)調(diào)節(jié)通氣管122通入氫氣的量、SiCl4的溫度來(lái)調(diào)節(jié)。反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為10分鐘，可以理解，時(shí)間越久，硅納米線生長(zhǎng)越長(zhǎng)。在第一輪生長(zhǎng)中，除在13#硅晶片上生長(zhǎng)硅納米線之外，還在石英管110的內(nèi)壁上沉積有硅。然后，將入氣口112通入的氫氣改為流量為350sccm的氬氣，并移動(dòng)石英管110將陶瓷反應(yīng)舟116和硅晶片118移出加熱爐100，以冷卻硅晶片118(包括11#(100)硅晶片、12#(110)硅晶片及13#(111)硅晶片)，而加熱爐100仍保持在900度高溫，并且石英管110的其它部分仍處于加熱爐100內(nèi)。當(dāng)硅晶片118冷卻至室溫，取出硅晶片完成第一輪生長(zhǎng)。
完成第一輪生長(zhǎng)之后，無(wú)需清潔石英管110，即保留沉積在石英管110內(nèi)壁上的硅，緊接著將三片新的21#(100)硅晶片、22#(110)硅晶片及23#(111)硅晶片置于陶瓷反應(yīng)舟116上，按上述第一輪生長(zhǎng)的步驟進(jìn)行第二輪生長(zhǎng)。
完成第二輪生長(zhǎng)之后，同樣無(wú)需清潔石英管110，緊接著將三片新的31#(100)硅晶片、32#(110)硅晶片及33#(111)硅晶片置于陶瓷反應(yīng)舟116上，按上述第一輪生長(zhǎng)的步驟進(jìn)行第三輪生長(zhǎng)。
在上述實(shí)施例中，在第一輪生長(zhǎng)中，僅在編號(hào)為13#的(111)硅晶片上生長(zhǎng)有硅納米線，而在編號(hào)為11#的(100)硅晶片和編號(hào)為12#的(110)硅晶片上并沒(méi)有納米線；在第二輪生長(zhǎng)中，在編號(hào)為21#、22#和23#的三種硅晶片上均生長(zhǎng)有硅納米線。在第三輪生長(zhǎng)中，在編號(hào)為31#，32#和33#的三種硅晶片上均生長(zhǎng)有硅納米線。上述納米線的長(zhǎng)度可達(dá)10微米至數(shù)十微米，直徑為50納米至250納米。
完成上述實(shí)施例之后，對(duì)石英管110進(jìn)行清潔，將管壁上沉積的硅去除，重復(fù)上述步驟，即重新制備硅晶片、沉積金催化劑層、切小片、編號(hào)并分三輪進(jìn)行生長(zhǎng)，可得到同樣的結(jié)果。
在上述所有硅晶片上生長(zhǎng)的硅納米線均是沿硅晶片的晶面外延<111>方向生長(zhǎng)，不同晶面的硅晶片具有其各自不同的外延<111>方向。例如對(duì)于(100)硅晶片，其具有四個(gè)外延<111>方向，分別與硅晶片的(100)晶面成35.3度夾角(如圖1D所示)；對(duì)于(110)硅晶片，其具有兩個(gè)外延<111>方向，分別與硅晶片的(110)晶面成54.7度夾角(如圖2D所示)；對(duì)于(111)硅晶片，其具有四個(gè)外延<111>方向，其中一個(gè)方向垂直于硅晶片的(111)晶面，另外三個(gè)分別與硅晶片的(111)晶面成19.4度夾角(如圖3E所示)。本發(fā)明可在不同晶面的硅晶片上得到沿各個(gè)外延<111>方向生長(zhǎng)的硅納米線，從而可控制硅納米線的生長(zhǎng)方向，得到不同結(jié)構(gòu)、不同方向的硅納米線，為硅納米線在各種領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例在具有不同晶面的硅晶片上生長(zhǎng)的硅納米線作詳細(xì)描述。
請(qǐng)參閱圖1A、圖1B，是從本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在(100)硅晶片上第二輪和第三輪生長(zhǎng)得到的硅納米線的頂上方拍攝的掃描電子顯微鏡(ScanningElectron Microscope，SEM)照片。從圖中可看出，硅納米線似乎形成矩形網(wǎng)格狀，但實(shí)際上硅納米線是沿四個(gè)方向延伸的，分別與硅晶片形成35度左右的夾角。從圖1C的高分辨率透射電子顯微鏡(High Resolution TransmissionElectron Microscope，HRTEM)照片可確認(rèn)，相鄰層間距為0.314納米，說(shuō)明硅納米線是沿硅晶面的四個(gè)外延<111>方向生長(zhǎng)的。圖1D示出(100)晶面的四個(gè)外延<111>方向，其中，陰影面即(100)晶面，四條交叉實(shí)線即表示其外延<111>方向，分別與(100)晶面成35.3度夾角。本實(shí)施例中硅納米線即沿此四個(gè)方向生長(zhǎng)。
請(qǐng)參閱圖2A、圖2B，是從本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在(110)硅晶片上第二輪和第三輪生長(zhǎng)得到的硅納米線的頂上方拍攝的SEM照片。從圖中看，大多數(shù)硅納米線是相互平等的，實(shí)際上硅納米線是兩個(gè)方向延伸的，分別與硅晶片成大約55度夾角。從圖2C的HRTEM照片可確認(rèn)，其間距為0.314納米，硅納米線是沿硅晶面的兩個(gè)外延<111>方向生長(zhǎng)的。圖2D示出(110)晶面的二個(gè)外延<111>方向，其中，陰影面即(110)晶面，兩交叉實(shí)線即表示其外延<111>方向，分別與(110)晶面成54.7度夾角。本實(shí)施例中硅納米線即沿此兩個(gè)方向生長(zhǎng)。
請(qǐng)參見(jiàn)圖3A、圖3B及圖3C，分別是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在(111)硅晶片上第一輪、第二輪和第三輪生長(zhǎng)得到的硅納米線的上方拍攝的SEM照片，其中圖3A是將樣品傾斜大約60度拍攝得到的，另外兩個(gè)是垂直拍攝得到的。從圖3A可看出，第一輪生長(zhǎng)的所有硅納米線均是垂直于硅晶片的表面；在圖3B中，第二輪生長(zhǎng)的硅納米線大多數(shù)形成三角形網(wǎng)格，還有一些亮點(diǎn)(圖中圓圈處即為其中一個(gè))，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)硅納米線有四個(gè)方向，其中一個(gè)方向是與第一輪生長(zhǎng)的方向相同，即垂直于硅晶片表面(即圖中的亮點(diǎn))，另外三個(gè)方向與硅晶片大約成19度夾角；在圖3C中，第三輪生長(zhǎng)的硅納米線形成三角形網(wǎng)格，并且沒(méi)有亮點(diǎn)存在，也就是說(shuō)，第三輪生長(zhǎng)的硅納米線沿三個(gè)方向生長(zhǎng)，其分別與硅晶片大約成19度夾角，而沒(méi)有垂直生長(zhǎng)的硅納米線。由圖3D的HRTEM照片可確認(rèn)，硅納米線是沿硅晶片的外延<111>方向生長(zhǎng)的，其間距為0.314納米。圖3E示出了(111)硅晶片的四個(gè)外延<111>方向，其中一個(gè)與(111)晶面垂直，另外三個(gè)與該晶面成19.4度夾角。其中，陰影面即(111)晶面，四根實(shí)線即外延<111>方向。
從上面多個(gè)實(shí)施例中可知，在第一輪次中生長(zhǎng)的硅納米線的結(jié)構(gòu)與后兩輪次有所不同。其原因在于雖然外部條件相同，包括實(shí)施設(shè)備、反應(yīng)溫度、通入的反應(yīng)氣體成份、流量及其濃度均未改變，但是在第一輪次中，實(shí)際反應(yīng)區(qū)的SiCl4濃度有所區(qū)別，實(shí)際上，是硅的濃度決定了硅納米線的生長(zhǎng)是外延與否，因此，不同含硅的氣體分子可能由于原子比不同而使得需要通入的氣體的量有所不同。在第一輪次生長(zhǎng)過(guò)程中，由于石英管110是清潔干凈的，有一部分SiCl4分解后，硅沈積在石英管110的內(nèi)壁上，造成在實(shí)際反應(yīng)區(qū)的硅濃度下降，即硅的過(guò)飽和程度較低，使得硅僅僅沿硅晶面的一個(gè)<111>方向，即垂直晶面的方向生長(zhǎng)；而在后續(xù)的第二、第三輪次生長(zhǎng)過(guò)程中，由于石英管110內(nèi)壁在第一輪次生長(zhǎng)過(guò)程已經(jīng)沉積有硅，所以硅在內(nèi)壁上的沉積逐漸減少，直至達(dá)到平衡，這樣使得實(shí)際反應(yīng)區(qū)的硅濃度逐漸上升，即硅的過(guò)飽和程度上升，從而造成硅納米線沿其它<111>方向生長(zhǎng)。所以，雖然本實(shí)施例是通過(guò)三輪次生長(zhǎng)硅納米線結(jié)構(gòu)的，但本發(fā)明并不限于這種步驟。只要能控制實(shí)際反應(yīng)區(qū)的硅的濃度達(dá)到足夠高的過(guò)飽和程度即可生長(zhǎng)出沿傾斜的外延<111>方向的硅納米線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明由于可控制硅納米線的生長(zhǎng)方向，可直接應(yīng)用于納米光電子學(xué)領(lǐng)域，例如采用圖案化生長(zhǎng)，可制得相應(yīng)圖案形狀的納米結(jié)構(gòu)，直接用作光器件。亦可利用本發(fā)明形成的矩形、三角形及交叉立體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)處理得到相應(yīng)形狀的平面器件，例如可將這三種立體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)經(jīng)壓扁制成平面的矩形、三角形及平行圖案，應(yīng)用于納米電子學(xué)領(lǐng)域等。
權(quán)利要求
1.一種硅納米線結(jié)構(gòu)，其包括一硅晶片基底，其包括一晶面，多根硅納米線生長(zhǎng)在所述晶面；其特征在于，所述硅納米線沿所述晶面的傾斜的外延<111>方向形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅晶片的晶面包括任意晶向的晶面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅晶片的晶面包括(100)晶面，所述硅納米線沿該(100)晶面的外延<111>方向形成，所述硅納米線與所述(100)晶面成35.3度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅晶片的晶面包括(110)晶面，所述硅納米線沿該(110)晶面的外延<111>方向形成，所述硅納米線與所述(110)晶面成54.7度夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅晶片的晶面包括(111)晶面，所述硅納米線沿該(111)晶面的外延<111>方向形成，所述硅納米線與所述(111)晶面成19.4度夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，還包括與所述(111)晶面垂直的硅納米線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅納米線的直徑范圍為50～250納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅納米線結(jié)構(gòu)，其特征是，所述硅納米線的長(zhǎng)度為10微米至數(shù)十微米。
9.一種硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其包括下列步驟在硅晶片的任一晶面上形成一層金屬催化劑層；將形成有該金屬催化劑層的硅晶片置于石英管內(nèi)，在500至1000度反應(yīng)溫度下、通入含硅的反應(yīng)氣及氫氣進(jìn)行反應(yīng)，并且反應(yīng)氣含硅的量與氫氣的摩爾比值為0.05～0.4，在石英管內(nèi)壁沉積硅并逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)；在硅晶片的所述晶面上生長(zhǎng)出硅納米線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述硅晶片的晶面包括(100)晶面，(110)晶面以及(111)晶面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述金屬催化劑層是金屬催化劑的薄膜，其厚度小于50納米。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述金屬催化劑層包括粒徑小于300納米的金屬催化劑顆粒。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述金屬催化劑包括金和鐵金屬。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述含硅的反應(yīng)氣包括鹵化硅，硅烷及其衍生物以及鹵硅烷。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述含硅的反應(yīng)氣為SiCl4。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的硅納米線結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征是，所述SiCl4與氫氣的摩爾比為0.05～0.2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅納米線結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，屬于納米線技術(shù)領(lǐng)域。所述硅納米線結(jié)構(gòu)包括一硅晶片基底，其包括一晶面，多根硅納米線生長(zhǎng)在所述晶面；所述硅納米線沿所述晶面的外延<111>方向形成。所述晶面包括(100)、(110)以及(111)晶面，所述晶面包括多個(gè)外延<111>方向。其生長(zhǎng)方法包括步驟在硅晶片的晶面上形成一層金屬催化劑層；將含有金屬催化劑的硅晶片置于石英管內(nèi)，在500至1000度反應(yīng)溫度下、通入含硅的反應(yīng)氣及氫氣進(jìn)行反應(yīng)，并確保反應(yīng)氣含硅的量與氫氣的摩爾比值為0.05～0.4，在石英管內(nèi)壁沉積硅并逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)；在硅晶片的晶面上生長(zhǎng)出硅納米線。本發(fā)明可應(yīng)用于納米光學(xué)，納米電子等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C30B29/06GK1740406SQ20041005131
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月28日
發(fā)明者葛帥平, 姜開(kāi)利, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司