[发明专利]用于纳米线生长的系统与方法

说明书

相关申请的交叉参照

本申请要求于2006年11月7日提交的美国临时专利申请号60/857,450的申 请日的利益，所述临时专利申请通过全文引用包括在此。

发明背景

本发明涉及纳米线，尤其涉及用于纳米线生长的改进方法。

纳米结构，特别是纳米线，有可能促成一种全新一代的电子设备。出现这种 基于纳米结构的新一代电子设备的主要障碍在于有效地生长具有一致特性的纳米 线与纳米结构的能力。当前生长纳米线的诸方法并不利于大量生产，而且通常得不 到一致的纳米线性能特征。

因此，需要能生长具有一致的性能特征的纳米线的系统与方法。

发明概述

本发明提供用于生产具有诸如低锥度等均一特征的垂直对准型外延纳米线 (如硅纳米线)的方法，包括：在反应室内提供其上沉积了一个或多个成核颗粒的 衬底材料；以第一温度把蚀刻气体引入反应室，该气体有助于清洁衬底材料(和成 核颗粒)的表面；使成核颗粒与至少第一前驱气体接触以启动纳米线生长；并将衬 底材料加热至第二温度，由此使纳米线在成核颗粒的位置处生长。本发明的工艺中 所使用的衬底材料优选是结晶体，但也可选用非晶体。相适应地，衬底材料包括结 晶硅，其或是多晶体，或是单晶体。在其它实施例中，衬底可以是非晶SiO₂、Si₃N₄或氧化铝。

在一个目前优选的实施例中，前驱气体包括SiH₄，但也可包括诸如Si₂H₆等其 它前驱气体。在一些合适的实施例中，为清洁衬底表面而引入蚀刻气体的第一温度 要高于在存在前驱气体时发生纳米线生长的第二温度。相适应地，第一温度可以比 第二温度高至少约100℃，例如比第二温度高约200℃，并且可以例如达约800℃ 的温度。在其它实施例中，为清洁衬底表面而引入蚀刻剂气体的第一温度可与在存 在前驱气体时发生纳米线生长的第二温度基本上一样。例如，第一与第二温度可以 约为600℃。实现本发明所用的成核颗粒适宜是一种金属催化剂，并包括与第一前 驱气体反应来形成析出Si的共晶体的金属。合适的金属催化剂包括Au、Al、Pt、 Fe、Ti、Ga、Ni、Sn或In，且在某些此类实施例中，可以是Au胶体或Au膜。

于是，高质量单晶硅纳米线可用例如基于气液固(VLS)生长工艺的金属催 化型化学气相沉积(CVD)来生长。在生长期间，前驱气体(如SiH₄)在成核颗 粒催化剂表面分解，Si在催化剂内扩散，然后在出现超饱和时，Si原子在催化剂 -衬底界面析出，以形成直径与催化剂成核颗粒的直径相似的硅纳米线。

在利用结晶衬底的诸实施例中，在衬底材料上生长的导线能较佳地从衬底外 延生长。按本发明工艺生产的纳米线以轴向对准的垂直定向生长出衬底材料的平 面，且能输运电荷。业已发现，本发明的方法提供沿其长度锥度极低的纳米线，例 如沿其长度的锥度率小于约2纳米/微米，譬如小于约1.5纳米/微米，小于约1.0 纳米/微米、小于约0.5纳米/微米，小于约0.3纳米/微米。

本发明工艺所采用的第一前驱气体适宜包含SiH₄(或Si₂H₆)，且还可包含一 种或多种掺杂剂气体，诸如B₂H₆、POCl₃或PH₃。本发明工艺使用的前驱气体可通 过等离子体增强型溅射沉积来合适地引入。溅射沉积可通过普通技术人员都知道的 任何方法，例如二极管、射频与直流沉积来实现。