[发明专利]两步化学气相沉积法生长稀氮化GaNSb纳米线

说明书

本发明提供一种两步化学气相沉积法生长稀氮化GaNSb纳米线。该方法包括：在双区固相源化学气相沉积系统的源区装载锑化镓、生长区装载催化剂基片；向源区和生长区中通入氢气，并分别加热至第一预设温度；源区的第一预设温度高出生长区的第一预设温度100～260℃；接着向源区和生长区中通入氨气，并分别加热至第二预设温度；源区的第二预设温度高出源区的第一预设温度20～150℃；源区的第二预设温度高出生长区的第二预设温度220～320℃；待源区和生长区达到各自第二预设温度后继续保温反应，然后冷却降温，于生长区得到稀氮化GaNSb纳米线。该方法合成稀氮化GaNSb纳米线具有大纵横比、高密度且表面光滑无岛状寄生。

技术领域

本发明属于半导体纳米线技术领域，具体涉及一种两步化学气相沉积法生长稀氮化GaNSb纳米线。

背景技术

在过去的几十年里，III-V族半导体纳米线，如GaSb、GaAs、InAs和InP等，由于具有优越的电学和光学功能，成为了极有前途的纳米级电子和光电子应用的基石，广泛应用于如场效应晶体管、光电探测器、发光二极管和太阳能电池等领域。特别地，由于GaSb纳米线（GaSb NWs）在近红外波段具有高载流子迁移率和近红外光学带隙（0.73eV）等特点，已经被大量开发为光电子器件中的替代沟道材料。

稀释氮化物是目前极为关注的一种III-V族材料，其是在GaAs、GaP等III-V族材料中加入稀量浓度的氮，其在通信、太阳能收集和电子领域有潜在的应用。随着氮的引入，晶格势能引起了大的扰动，导致带隙能量发生了大的红移。近年来，稀氮化III-V族半导体纳米线因其掺入氮产生的优异性能而受到广泛关注。迄今为止，一些类型的稀氮化III-V族纳米线如GaNAs和GaNP 纳米线主要通过N₂等离子体辅助分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法制备获得。

在GaSb纳米线中加入稀氮，可以通过改变能带隙和晶格参数灵活地调整三元GaNSb纳米线的材料性能。然而，尽管稀氮化GaNAs和GaNP纳米线制备成功，但具有大纵横比且表面光滑无岛状寄生的稀氮化GaNSb纳米线的成功合成却从未被报道，这主要是由于N原子难以引入到GaSb晶格中。在一定程度上，N原子和Sb原子的半径和电负性的显著不匹配，阻碍了稀氮化GaNSb合金纳米线的合成。此外，以N₂等离子体或偏二甲肼（UDMH）为N源的MBE和MOCVD制备技术存在着较多缺陷，如UDMH前驱体毒性较大，MBE和MOCVD的设备成本高，不利于实现规模化生产。而在SS-CVD基础上采用N₂等离子体改装而成的PECVD也存在着等离子体设备对湿度敏感且容易老化不稳定、产生的等离子气流在安全性上有较大隐患、制备出的纳米线材料存在残余应力影响材料的性能，且等离子体设备成本高，仍然不利于规模化生产制造。基于此，通过低成本和高生产率的工艺制造稀氮化GaNSb纳米线是必要的，但仍然是一个挑战。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种稀氮化GaNSb纳米线的制备方法，该方法利用氨气作为氮源，双区固相源化学气相沉积系统（SS-CVD）作为反应的装置，创造性的开发出两步法合成稀氮化GaNSb纳米线的方法，该方法利用金催化蒸汽-液体-固体（VLS）生长机制实现了高密度、长的GaNSb纳米线的制备；本发明的第二目的在于提供该制备方法制备获得的稀氮化GaNSb纳米线，该纳米线具有大纵横比、高密度且表面光滑无岛状寄生；本发明的第三目的在于提供该稀氮化GaNSb纳米线作为光电子器件的材料在制备场效应晶体管、光电探测器、发光二极管或太阳能电池中的应用，有利于为大规模的电子学和光电子器件集成铺平道路。

本发明的目的通过以下技术手段得以实现：

一方面，本发明提供一种稀氮化GaNSb纳米线的制备方法，其包括以下步骤：

在双区固相源化学气相沉积系统的源区装载锑化镓，生长区装载催化剂基片；