專利名稱：一種單晶半導體納米線的生長裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低維納米材料制備領域，特別是涉及一種單晶半導體納米線的生長裝置及其利用其制備單晶半導體納米線的方法，尤其是涉及一種單晶GaN納米線生長裝置及其GaN納米線的制備方法。
背景技術：
低維納米材料和器件目前已成為物理、化學、生物以及材料科學領域中的一個研究熱點。迄今為止，在低維納米材料和納電子器件方面研究最多的是碳納米管，已制備成功了許多電子器件，包括室溫場效應管、單電子管、異質結二極管、反轉器和交叉結等。然而，在發(fā)展納光子乃至納光電子器件方面，具有直接禁帶的化合物半導體材料，將有其獨特優(yōu)勢。其中，最具代表性的是III族氮化物半導體及其合金材料，它們直接躍遷帶隙覆蓋了從近紅外到近紫外光波段，是制備高亮度紫外、藍光、綠光發(fā)光二極管和激光二極管，紫外探測器以及抗輻射、大功率高溫電子器件等極有潛力的新型材料系。
近幾年來隨著分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長技術的不斷突破，以GaN外延材料為基礎的器件研究迅速發(fā)展起來，藍光發(fā)光二極管和激光二極管相繼問世；但是MBE/MOCVD生長設備和傳統(tǒng)的半導體器件工藝設備價格昂貴、成本很高，而且所得GaN外延材料很難與在微電子領域中占統(tǒng)治地位的Si電子集成。而低維納米材料可以通過簡單的化學合成方法生長在Si襯底上，易于實現光電集成。此外，高品質單晶納米線天然解理面可以形成光學共振腔，即光學微腔，該光學微腔本身就是一種新型的高效發(fā)光器件。這些優(yōu)點預示著III族氮化物半導體納米線在發(fā)展納光電子器件方面具有極大的應用潛力。目前已報道有多種合成GaN單晶納米線的方法，包括碳納米管限制反應(carbon-nanotube-confined reaction)、催化反應、激光燒蝕法(LCG)、氧化物輔助生長、化學氣相沉積法(CVD)等。這些方法都存在一些缺陷，比如碳納米管限制反應和催化反應需要引入復雜的催化劑；激光燒蝕法和氧化物輔助生長所用到的方法需要激光輔助；化學氣相沉積法需要很長的生長時間(＞3小時)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠在較短時間內獲得單晶半導體納米線的生長裝置。
本發(fā)明提供的單晶半導體納米線的生長裝置，包括真空室(8)及位于真空室(8)內的三個加熱電極A(1)、B(2)、C(3)，帶氣嘴的通氣導管(4)及兩個鉬舟或/和鉭舟(7)，所述加熱電極C(3)接地，分別與加熱電極A(1)及加熱電極B(2)組成兩套蒸發(fā)電極；所述兩個鉬舟或/和鉭舟(7)并排水平放置，一端均與加熱電極C連接(3)，另外一端分別連接于加熱電極A(1)和加熱電極B(2)上；所述使氣體沿水平方向吹過兩個鉬舟或/和鉭舟(7)表面的通氣導管(4)氣嘴高度與兩個鉬舟或/和鉭舟(7)表面高度相當。
為了方便抽真空，所述生長裝置的真空室上還設有擴散泵接口(9)。
為了能夠方便地調節(jié)蒸發(fā)電極的電流強度，所述生長裝置還設有兩個分別控制所述兩套蒸發(fā)電極加熱電流的調壓變壓器。
為了方便地控制溫度，在所述鉬舟或/和鉭舟(7)背面還分別設有熱電偶(10)。
使用時，將金屬Ga源(5)和Si樣品襯底(6)分別置于兩個鉬舟或/和鉭舟的表面；為了保證生長效果，金屬Ga源(5)和Si樣品襯底(6)相距1-5厘米；所述Ga源(5)為金屬Ga；所述樣品襯底(6)為正面蒸有催化劑層的Si襯底；所述催化劑一般為Ni，或Fe，或Co，或In。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種重復性好、生長時間短的單晶GaN納米線的生長方法。
一種利用所述單晶半導體納米線的生長裝置生產單晶GaN納米線的方法，包括如下步驟1)將金屬Ga源和Si樣品襯底分別置于兩個鉬舟或/和鉭舟的表面；2)抽真空使真空室內真空度小于2×10-3Pa；3)通過通氣導管向真空室中通入NH3氣2-3分鐘后，開始加熱鉬舟或鉭舟，使Ga源溫度在750-800℃，樣品襯底溫度控制在820-900℃，生長5-30分鐘得到生長產物。
為了使納米線產量高、重復性好，通常需要在樣品襯底正面制備金屬催化劑。對于生長GaN材料，常采用Ni，Fe，Co，In等多種金屬元素作為催化劑。具體制備方法包括以下步驟1、在樣品襯底正面熱蒸發(fā)一層1-8nm厚的Ni；2、將Ni，或Fe，或Co，或In粉末(尺度在1-10微米)在甲苯或乙醇溶液中超生處理后，將懸浮液滴在樣品襯底正面上，自然干燥；3、將濃度為0.005M-0.01M的Ni(NO3)3溶液滴在樣品襯底正面上，自然干燥。
生長結束后需要在兩個鉬舟或鉭舟溫度低于100℃后才能停止向真空室中通入NH3氣，然后通入大氣，取出生長產物。
本發(fā)明操作簡單，GaN納米線生長速度快，生長時間短，只需5-30分鐘即可完成，此外不需要借助復雜的催化劑或激光即可達到獲得納米線的目的。由于兩個鉬或/和鉭舟是并排水平放置，氣相生長源利用率高，生長產物產量高，并且以鉬或/和鉭舟代替目前常用的鎢絲，大大提高了生長系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明適合于化合物半導體納米材料的大量生長，在發(fā)展新型納米光電器件、實現與Si微電子集成等方面將具有廣泛的應用前景。


圖1為本發(fā)明的生長裝置結構示意2為生長產物的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)照片圖3a為生長產物的透射電子顯微鏡照片圖3b為生長產物的透射電子顯微鏡照片的放大4為生長產物的X射線衍射圖譜圖5a為單根GaN納米線的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)5b為圖5a中白色方框部分的放大圖具體實施方式
實施例1、本發(fā)明的生長裝置如圖1所示，本發(fā)明的GaN納米線的生長裝置包括加熱電極1、2、3，不銹鋼通氣導管4，Ga源5，正面蒸有5nm厚Ni的Si樣品襯底6，兩個鉬舟7，真空室8，擴散泵接口9，以及兩個熱電偶10。其中加熱電極3接地，與加熱電極1組成一套蒸發(fā)電極，與加熱電極2組成另一套蒸發(fā)電極，兩套蒸發(fā)電極呈30°夾角，其加熱電流分別由兩個調壓變壓器控制。兩個鉬舟7由金屬鉬制成，并排水平放置，一端都連接于加熱電極3，另外一端分別連接于加熱電極1和加熱電極2上，其高度可由升降螺母來調節(jié)。Ga源5和樣品襯底6分別位于兩個鉬舟7的上表面，兩者距離為3cm；而兩個熱電偶10則分別位于鉬舟7的背面，用于測量Ga源5和樣品襯底6的溫度。不銹鋼通氣導管4在真空室8外的部分通過三通接口與氬氣瓶和氨氣瓶相連，在真空室8內的氣嘴高度與Ga源5高度基本相當，使氣體沿水平方向自Ga源5向樣品襯底6吹過。擴散泵接口9與擴散泵連接，用于控制真空室8內真空度。
在本實施例中，鉬舟7也可以由金屬鉭制成。
實施例2、生產單晶GaN納米線生產單晶GaN納米線在實施例1所述的裝置中進行。
采用擴散泵抽真空至1.8×10-3Pa后關閉擴散泵接口9，打開不銹鋼通氣導管4向真空室內充氨氣2分鐘，然后保持氣流流量為100sccm，調節(jié)調壓變壓器電壓開始加熱，加熱時控制Ga源溫度在750-800℃，樣品襯底溫度控制在820-900℃；生長時間為20分鐘。生長時間到了以后，將調壓變壓器電壓降至零。待溫度降至100℃以下以后關閉氨氣，充入大氣，打開真空室，取出樣品襯底。此時，樣品襯底上沉積有一層灰白色產物。
采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)等表征手段對所得產物進行分析，結果如下。
圖2是所生長的產物的FESEM照片，從圖中可以看到有大量的納米線糾纏在一起。圖3a，圖3b是所得生長產物的透射電子顯微鏡照片。從圖3a可以看到這些GaN納米線直徑大部分分布在30-50nm范圍內，并有少量直徑在10nm左右的納米線，其中之一被放大后如圖3b所示。圖4是所得生長產物的X射線衍射譜，其相應的衍射角的峰與GaN粉末X射線衍射譜峰位置吻合(JCPDS卡片號76-0703)，只是相對強度有變化，證明所得到的產物是GaN納米線。圖5a是一個單根GaN納米線的高分辨圖象，圖5b是圖5a中白色方框部分的放大像，其結果證明該GaN納米線具有良好的單晶結構，其生長方向沿[210]方向。這些結果表明，采用本發(fā)明的方法和裝置所得到的是單晶GaN納米線。
權利要求
1.一種單晶半導體納米線的生長裝置，包括真空室(8)及位于真空室(8)內的三個加熱電極A、B、C(1)、(2)、(3)，帶氣嘴的通氣導管(4)及兩個鉬舟或/和鉭舟(7)，其特征在于所述加熱電極C(3)接地，分別與加熱電極A(1)及加熱電極B(2)組成兩套蒸發(fā)電極；所述兩個鉬舟或/和鉭舟(7)并排水平放置，一端均與加熱電極C連接(3)，另外一端分別連接于加熱電極A(1)和加熱電極B(2)上；所述使氣體沿水平方向吹過兩個鉬舟或/和鉭舟(7)表面的通氣導管(4)氣嘴高度與兩個鉬舟或/和鉭舟(7)表面高度相當。
2.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述生長裝置的真空室上還設有擴散泵接口(9)。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述生長裝置還設有兩個分別控制所述兩套蒸發(fā)電極加熱電流的調壓變壓器。
4.根據權利要求1或2或所述的裝置，其特征在于在所述鉬舟或/和鉭舟(7)背面還分別設有熱電偶(10)。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述兩個鉬舟或/和鉭舟(7)的上表面一個設有Ga源(5)，另一個設有樣品襯底(6)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于所述Ga源(5)為金屬Ga；所述樣品襯底(6)為正面蒸有催化劑層的Si襯底；所述催化劑為Ni，或Fe，或Co，或In。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于所述Ga源(5)與樣品襯底(6)的距離為1-5cm。
8.一種利用權利要求1所述的單晶半導體納米線的生長裝置生產單晶GaN納米線的方法，包括如下步驟1)將金屬Ga源和Si樣品襯底分別置于兩個鉬舟或/和鉭舟的表面；2)抽真空使真空室內真空度小于2×10-3Pa；3)通過通氣導管向真空室中通入NH3氣2-3分鐘后，開始加熱鉬舟或鉭舟，使Ga源溫度在750-800℃，樣品襯底溫度控制在820-900℃，生長5-30分鐘得到生長產物。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于所述Si樣品襯底的正面蒸有催化劑層，該催化劑層的制備方法包括以下步驟1、先在Si樣品襯底正面熱蒸發(fā)一層1-8nm厚的Ni；2、將尺度在1-10微米的Ni，或Fe，或Co，或In粉末在甲苯或乙醇溶液中超生處理后，將懸浮液滴在樣品襯底正面上，自然干燥；3、將濃度為0.005M～0.01M的Ni(NO3)3溶液滴在樣品襯底正面上，自然干燥。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于所述生長結束后在兩個鉬舟或/和鉭舟溫度低于100℃后停止向真空室中通入NH3氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單晶半導體納米線的生長裝置及其應用，涉及低維納米材料的制備領域。本發(fā)明所提供的生長裝置，包括真空室及位于真空室內的三個加熱電極A、B、C，帶氣嘴的通氣導管及兩個鉬舟或/和鉭舟，加熱電極C接地，分別與加熱電極A及加熱電極B組成兩套蒸發(fā)電極；兩個鉬舟或/和鉭舟并排水平放置，使氣體沿水平方向吹過兩個鉬舟或/和鉭舟表面的通氣導管氣嘴高度與兩個鉬舟或/和鉭舟表面高度相當。利用單晶半導體納米線的生長裝置生產單晶GaN納米線的方法，包括如下步驟1)將金屬Ga源和Si樣品襯底分別置于兩個鉬舟或/和鉭舟的表面；2)抽真空；3)向真空室中通入NH
文檔編號C30B25/00GK1699637SQ200410038099
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權日2004年5月19日
發(fā)明者戴倫, 張伯蕊, 劉仕峰, 秦國剛 申請人:北京大學