一種條狀I(lǐng)nAs納米帶及其制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種條狀I(lǐng)nAs納米帶及其制備和應(yīng)用，屬于半導體材料制備與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 近年半導體納米結(jié)構(gòu)因其在納米光子學，納米電子學，器件集成等方面有著巨大 的潛力吸引了越來越多的關(guān)注。而III-V族半導體具有獨特的物理和化學性質(zhì)，使得其在 納米光子學和納米電子學等方面更有著很高的潛在應(yīng)用。III-V族半導體因為其具有著高 迀移率和較窄的帶隙，使得其在單電子晶體管、共振隧穿二極管和彈道晶體管等方面有著 重要的應(yīng)用。然而III-V族半導體納米材料不同于II-VI族或V族材料，因為其制備所需要 的條件比較苛刻、設(shè)備比較昂貴、對環(huán)境毒害大，限制了其廣泛的應(yīng)用。目前主要采用有機 金屬化學氣相沉積（MOCVD)和分子束外延（MBE)生長技術(shù)來制備一維III-V納米材料，以 上方法制備的納米材料有一定優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于上面方法采用的設(shè)備較 為昂貴，這在很大程度上限制了制備方法的推廣，而且上面兩種方法制備的納米結(jié)構(gòu)較短， 這也限制了納米材料的應(yīng)用。
[0003] III-V族納米帶的生長方式以及生長方向不同于納米線，這也使得目前沒有有關(guān) 于III-V族納米帶的報道。對III-V族納米線尤其是InAs納米線而目，其制備方法通常米 用有機金屬化學氣相沉積（MOCVD)和分子束外延（MBE)生長技術(shù)來制備。由于制備方法的 限制導致現(xiàn)有InAs納米線的生長方向一般為[111]，其制備的InAs納米線的長度一般為 l_5um，直徑一般為 5_200nm。
[0004] 二維結(jié)構(gòu)的納米帶材料更接近于體材料，由于III-V族材料本身具有著較高的迀 移率，這使得III-V族納米器件在集成半導體器件上的應(yīng)用有著非常高的價值。但現(xiàn)有技 術(shù)中還鮮有III-V族納米帶及其制備技術(shù)的記載；尤其是沒有III-V族納米線沿[110]生長 方向生長成納米帶的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種條狀I(lǐng)nAs納米帶及其制備和應(yīng)用；解決了 現(xiàn)有技術(shù)中無法制備三五族納米帶的難題。
[0006] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶，所述InAs納米帶是化學式為InAs的條狀納米帶， 所述條狀I(lǐng)nAs納米帶的帶寬為500nm-5 y m，優(yōu)選為1-5 y m，進一步優(yōu)選為1-2 y m ;長度為 5-50 y m，優(yōu)選為10-30 y m，進一步優(yōu)選為10-20 y m。
[0007] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶，所述條狀I(lǐng)nAs納米帶的厚度為30-400nm，優(yōu)選為 30-200nm，進一步優(yōu)選為 30-100nm。
[0008] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶，所述條狀I(lǐng)nAs納米帶中In元素與As元素的摩爾 比為 0? 85-1. 15 :0? 85-1. 15,優(yōu)選為 0? 95-1. 05 :0? 95-1. 05,進一步優(yōu)選為 1:1。
[0009]本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的制備方法，包括下述步驟：
[0010] 將表面分散金顆粒的Si片平鋪于磁舟3上后置于帶有進氣口和出氣口的水平管 式爐中，抽真空，通入載氣并升溫至磁舟3的加熱溫度為400-700°C，優(yōu)選為450-650°C，進 一步優(yōu)選為500-600°C后，通入InAs蒸氣，InAs蒸氣通過載氣送至Si片上生成InAs納米 線后，再按摩爾比，In :As = 100-1000:1、優(yōu)選為100-500:1、進一步優(yōu)選為200-500:1 ;往 爐內(nèi)同時通入InAs蒸氣和In蒸氣；InAs蒸氣和In蒸氣通過載氣送至所生成的InAs納 米線反應(yīng)，得到條狀I(lǐng)nAs納米帶；反應(yīng)時，控制爐內(nèi)壓力為l-20Torr，優(yōu)選為2-10Torr， 進一步優(yōu)選為2-5Torr ;控制載氣流速為10-100sccm，優(yōu)選為30-70sccm，進一步優(yōu)選為 40-60sccm〇
[0011] 所述載氣選自氫氣、氬氣中的至少一種。
[0012] 為了保證所得產(chǎn)品的優(yōu)良性能，上述操作制備InAs納米線時，一般控制InAs蒸氣 在Si片上的反應(yīng)時間為1-20分鐘，優(yōu)選為5-15分鐘，進一步優(yōu)選為5-10分鐘。得到InAs 納米線后，控制載氣攜帶In蒸氣、InAs蒸氣在InAs納米線上的反應(yīng)時間為60-180分鐘， 優(yōu)選為60-120分鐘，進一步優(yōu)選為80-100分鐘。
[0013] 在實際操作過中，上述操作必須借助InAs蒸氣儲備室、InAs蒸氣稀釋室、In蒸氣 儲備室、In蒸氣稀釋室，不利于節(jié)約化生產(chǎn)和制備目標材料。同時為了由于上述操作是通 過進氣閥來調(diào)節(jié)In蒸氣、InAs蒸氣的進入量，由于溫度較高，很容易導致進氣閥的老化進 而失效。所以本發(fā)明優(yōu)化了制備方法，具體優(yōu)化實施方案如下：
[0014] 將In粉裝入磁舟1，將InAs粉裝入磁舟2,將表面分散金顆粒的Si片平鋪于磁舟 3上，然后將磁舟1、磁舟2、磁舟3依次置于帶有進氣口和出氣口的水平管式爐中，所述磁 舟2位于磁舟1與磁舟3之間，且磁舟1靠近進氣口；抽真空，持續(xù)通入載氣并升溫至磁舟 2的加熱溫度為820-920°C、優(yōu)選為840-900°C，進一步優(yōu)選為850-880°C，磁舟3的加熱溫 度為400-700°C、優(yōu)選為450-650°C，進一步優(yōu)選為500-600°C，此時磁舟1的溫度< 170°C， 優(yōu)選為室溫，載氣帶著InAs蒸氣在Si片反應(yīng)，生成InAs納米線；然后繼續(xù)通入載氣并將磁 舟1推至400-920°C的加熱區(qū)域，載氣攜帶In蒸氣、InAs蒸氣在InAs納米線上反應(yīng)，隨爐 冷卻，得到所述條狀I(lǐng)nAs納米帶；
[0015] 反應(yīng)時，控制爐內(nèi)壓力為l-20Torr，優(yōu)選為5-10Torr，進一步優(yōu)選為5-6Torr;控 制載氣流速為l〇_l〇〇sccm，優(yōu)選為30_70sccm，進一步優(yōu)選為30_50sccm。
[0016] 優(yōu)化實施方案中，為了進一步保證所得產(chǎn)品的質(zhì)量，載氣帶著InAs蒸氣在Si片反 應(yīng)的反應(yīng)時間控制在1-20分鐘，優(yōu)選為5-15分鐘，進一步優(yōu)選為5-10分鐘。得到InAs納 米線后，控制載氣攜帶In蒸氣、InAs蒸氣在InAs納米線上的反應(yīng)時間為60-180分鐘，優(yōu) 選為60-120分鐘，進一步優(yōu)選為80-100分鐘。
[0017] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的優(yōu)化制備方法中，所述載氣選自氫氣、氬氣中的至 少一種。
[0018] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的優(yōu)化制備方法中，InAs粉的純度多99% ;In粉的 純度彡99. 99%。
[0019] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的優(yōu)化制備方法中，所述金顆粒的直徑為30-100nm。
[0020] 為了保證更好的實施效果，InAs粉、In粉均大大的過量。為了節(jié)約資源InAs粉的 用量一般為理論用量的1-2倍；In粉的用量一般為理論用量的5-10倍。
[0021] 為了保證更好的實施效果，當?shù)玫絀nAs納米線后，需控制所通入蒸氣中In與As 的摩爾比，一般為100-1000:1、優(yōu)選為100-500:1，進一步優(yōu)選為200-500:1。在本發(fā)明的制 備方法的優(yōu)化方案中，是通過InAs粉、In粉的加熱溫度以及爐內(nèi)壓力和載氣流速在實現(xiàn)對 蒸氣中In與As的摩爾比控制。
[0022] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的制備方法，在Si片上可以收集得到條狀I(lǐng)nAs納米 帶。
[0023] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的制備方法中，由于生長納米帶需要在高溫獲得，要 保證Si片處于較高的溫區(qū)，否則達不到合成InAs納米帶的要求。
[0024] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的制備方法中，由于工藝和產(chǎn)生設(shè)置得當，得到了具 有著很高的結(jié)晶質(zhì)量的條狀I(lǐng)nAs納米帶。
[0025] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶，所述條狀I(lǐng)nAs納米帶在488nm氬離子激光器激發(fā) 下，所得條狀I(lǐng)nAs納米帶的拉曼信號跟InAs體材料的拉曼信號相近。
[0026] 本發(fā)明一種條狀I(lǐng)nAs納米帶的應(yīng)用，包括用于集成半導體器件的制備。
[0027] 原理和優(yōu)勢
[0028] 本發(fā)明以In粉、InAs粉為原料，通過嚴格控制各原料的加熱溫度以及加熱順序從 而達到有效的控制InAs納米帶的生長，載氣將In蒸汽、InAs蒸汽混合均勾，然后送到反應(yīng) 區(qū)（所述反應(yīng)區(qū)由平鋪于磁舟3之上的Si片的金顆粒融化吸收蒸汽、析出納米結(jié)構(gòu)的區(qū) 域），由于生長InAs納米帶需要很高的生長溫度和較高的In/As比（In與As的摩爾比為 100-1000:1)，這就需要在提高磁舟3的溫度以及蒸氣中In的含量。由于提供了較高的In/ As比，使得InAs納米帶的生長方向為[II0],外延方向為[001],這不同于InAs納米線的生長 方向（InAs納米線的生長方向一般為[m])。
[0029] 本發(fā)明通過分別控制In粉、InAs粉的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)的先后順序，從而達到有效 的控制它們的蒸發(fā)量，也就控制了反應(yīng)時載氣中的濃度，通過控制載氣中適當?shù)腎n/As比 例，獲得前期的InAs納米線，通過控制之后In粉的蒸發(fā)溫度和時間，既為反應(yīng)時的In/As 比例，又實現(xiàn)了 InAs納米線的外延生長，從而獲得InAs納米帶。
[0030] 本發(fā)明的工藝技術(shù)簡單，控制方便，主要是利用化學氣相沉法合理的控制生長過 程中的In/As比例，從而得到條狀I(lǐng)nAs納米帶。所獲得的樣品呈條帶狀，納米帶長度能達 到幾十微米，厚度能大部分控制在lOOnm以下。在拉曼光譜進行表征，能得到很好的拉曼信 號，表明InAs納米帶有著很高的結(jié)晶質(zhì)量和很少的缺陷。這種高結(jié)晶度的二維納米結(jié)構(gòu)在 紅外波段的發(fā)光和探測光電器件上將會有重大應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031] 附圖la為實施例1所制備InAs納米帶的SEM圖片；
[0032] 附圖lb為實施例1所制備InAs納米帶的XRD譜；
[0033] 附圖lc為實施例1所制備單根InAs納米帶的TEM圖片；
[0034] 附圖Id為實施例1所制備單根InAs納米帶的TEM-EDS譜；
[0035] 附圖le為實施例1所制備單根InAs納米帶的HTEM圖片；
[0036] 附圖If為實施例1所制備單根InAs納米帶的選區(qū)電子衍射圖片；
[0037] 附圖2為實施例2所制備的InAs納米帶的AFM分析圖；
[0038] 附圖3a為實施例2所制備的InAs納米帶的拉曼光譜圖；插圖為單根InAs納米 帶；
[0039] 附圖3b為實施例2所制備的InAs納米帶表面修飾前后的光致發(fā)光光譜；
[0040] 附圖4為實施例2所制備的InAs納米帶過程中不同時間段所得產(chǎn)物的形貌圖；
[0041] 附圖5為本發(fā)明所用設(shè)備及其工作示意圖。
[0042] 從圖la中的SEM圖片可以看出所合成的條狀納米帶，長度在10-30um之間；從圖 lb的XRD圖片可以看出所得到的條狀納米帶和閃鋅礦的InAs相同，表明所得到的條狀納米 帶為閃鋅礦結(jié)構(gòu)；圖lc為單根InAs納米帶的TEM圖片；從圖Id即TEM-EDS譜，從能譜中 可以看到，納米帶的主要成為為In和As，且In與As的摩爾比約為1 :1 ;從圖le和If即 HTEM圖片和選區(qū)電子衍射可以看出所得到的納米帶是單晶二維結(jié)構(gòu)，納米帶的生長方向為 [110]方向，以及外延方向[001]。
[0043] 從圖2的AFM分析圖可以看出，經(jīng)原子力顯微鏡分析，條狀I(lǐng)nAs納米帶的厚度在 40_50nm 之間。
[0044] 從圖3a可以看出，InAs納米帶