納米須晶的方向受控生長的製作方法
2023-10-16 21:40:29 2
專利名稱：納米須晶的方向受控生長的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及用納米工藝技術生產的結構和這樣的結構的生產方法。更具體地說，本發明涉及基本上呈一維形式、其寬度或直徑有納米級尺寸、藉助於催化劑微粒生產的、且通常稱為「納米須晶」的此類結構和包含至少一個元件的器件。
背景技術：
納米技術涵蓋各種不同領域，包括可以視為納米規模工程實踐的納米工程領域。這可能導致尺寸範圍從原子規模的小器件到規模大得多的結構—例如微觀規模—的結構。典型地說，納米結構是有至少兩維小於約1μm(即納米規模)的器件。通常，有一層或多層厚度小於1μm的層狀結構或原材料並不認為是納米結構。因此，納米結構這一術語包括有2個小於約1μm的維、有不同於更大結構者的功能和效用、且典型地以不同於更大一點即微觀規模的結構的慣常製備程序的方法製造的自由站立或分立結構。儘管納米結構類別的確切邊界並沒有由特定數字尺寸極限來界定，但這一術語已經使這樣一個類別顯著得容易由業內技術人員識別。在很多情況下，表徵納米結構的至少2維的尺寸上限是約500nm。在一些技術範疇內，「納米結構」這一術語要理解為覆蓋有至少2維為約100nm或更小的結構。在一個給定的範疇內，熟練的實踐者將會認識到意向尺寸範圍。在本申請中，「納米結構」這一術語的廣義意圖是指一種如以上指出的有至少2個小於1μm的橫向維的細長結構。在更好的應用中，這樣的維將是小於約100nm、更好小於約50nm、甚至更好小於約20nm。
納米結構包括基本上呈一維形式、其寬度或直徑有納米尺寸、且通常稱為納米須晶、納米棒、納米絲、納米管等的一維納米元件。
經由所謂VLS(蒸氣-液體-固體)機理在基材上形成須晶的基本過程是眾所周知的。將一種催化材料(通常是黃金)的微粒置於一種基材上，並在某些氣體的存在下加熱而形成一種熔體。一根基柱在該熔體下形成，而且該熔體上升到該基柱頂上。結果是一種所希望材料的須晶，且凝固的微粒熔體位於頂上。見Wagner，WhiskerTechnology，Wiley，New York，1970和E.I.Givargizov，Current Topicsin Materials Science，Vol.1，pages 79-145，North Holland PublishingCommpany，1978。在這種技術的早期應用中，這樣的須晶的尺寸在微米範圍內，但此後這種技術也已應用於納米須晶的形成。例如，國際專利申請公報No.WO 01/84238(其全文列為本文參考文獻)在
圖15和16中公開了一種納米須晶形成方法，其中來自一種氣溶膠的納米尺寸微粒沉積在一種基材上，並使用這些微粒作為晶種而產生單絲或納米須晶。
儘管生長中的須晶尖端上催化微粒的存在所催化的納米須晶的生長慣常地簡稱為VLS(蒸氣-液體-固體法)，但已經認識到的是，該催化微粒可能不必處於液態就能成為一種有效的須晶生長催化劑。至少一些證據表明，用於形成該須晶的材料可以到達微粒-須晶界面，並對正在生長的須晶做出貢獻，即使該催化微粒處於其熔點以下的溫度且可能處於固態。在這樣的條件下，該生長材料例如在其生長時加到該須晶尖端的原子在生長溫度下可能能夠透過固體催化微粒本體擴散或甚至可能沿該固體催化微粒表面擴散到該須晶的生長尖端。Persson et al.，「Solid-phase diffusion mechanism for GaAs nanowiresgrowth，」Nature Materials，Vol.3，October 2004，pp 687-681，顯示，對於半導體化合物納米須晶來說，可能發生一種化合物(GaAs)的單一成分(Ga)透過催化微粒的固相擴散機理。顯然，總效果是相同的，即該催化微粒所催化的該須晶的伸長，無論在溫度、催化微粒組成、該須晶的意向組成、或其它與須晶生長相關的條件等特定環境下確切的機理可能是什麼。為了本申請之目的，「VLS方法」、或「VLS機理」、或等效術語學這些術語意圖包括所有這樣的催化程序，其中納米須晶生長是受到與該納米須晶的生長尖端接觸的液體或固體微粒催化的。
為了本說明書之目的，「納米須晶」這一術語意圖指寬度或直徑(或一般地說橫向尺度)為納米尺度的一維納米元件，該元件較好是由如以上所述的所謂VLS機理形成的。納米須晶在業內也簡稱為「納米絲」(nanowires)或在上下文中只簡稱為「須晶」或「絲」。
自立的納米須晶因其在電子學和光子學應用上的潛在用途已經吸引了日益增多的注意。
如同以上提到的Wagner的早期工作中已經顯示的，這樣的納米須晶的優先生長方向是111。111取向的納米須晶的一個缺點是通常垂直於生長方向形成的高密度堆垛層錯。這些缺陷預期會影響該納米須晶的物理性能。這種優先生長方向的另一個缺點是其與工業應用上常用基材的主表面的(001)晶面的不可兼容性。即，該優先生長方向斜交而非正交於基材主表面，該正交方向是001。例如，III-V化合物的常用市售基材有001作為主表面。反之，III-V化合物的納米須晶優先在111B方向上從(111)B晶體平面生長起來。
Hiruma et al.，J.Appl.Phys.，77(2)，15 January 1995，pages 447-462，報告了在有各種表面、尤其包括(001)表面的GaAs基材上InAs納米須晶的生長。該InAs納米絲總是在111方向上生長，導致例如以35°角斜交於(001)表面的絲對([1-11]和[-111])。
納米須晶的其它生長方向已在須晶生長期間觀察到偶爾發生。例如，Wu et al，「Growth，branching，and kinking of molecular beamepitaxial110GaAs nanowires，」Applied Physics Letters，20October2003，Vol.83，No.16，pp 3368-3370，公開了通過分子束取向生長(MBE)而在GaAs(001)上生長的GaAs納米須晶的011方向。
Bjrk et al，「One-Dimensional Heterostructures In SemiconductorNanowhiskers，」Applied Physics Letters，Vol.80，No.6，11 February2002，pages 1058-1060，描述了用化學束取向生長(CBE)而從(111)B GaAs表面生長起來的InAs/InP雜結構納米須晶的001片斷，該片斷偏離了該納米須晶的初始111B生長方向。更具體地說，已經觀察到，雖然大多數納米須晶在111B方向上生長，但偶爾形成了呈最初在111B方向上生長但「扭接」到001方向的「曲棍球棒」形式的納米須晶。所公開的納米須晶有InAs基底區域，而且作為InP/InAs界面上壓縮應變的結果而在001方向上生長。001方向上納米須晶的生長大幅減少缺陷例如堆垛層錯的形成。
在國際專利申請公報No.WO 2004/004927(其全文列為本文參考文獻)中，在圖24(b)中公開了一種須晶生長方向控制技術，其中，通過在其形成期間改變生長條件來對該須晶施加應變，該須晶的生長方向可以從通常的111方向變成100方向。替而代之，在該納米須晶的基底可能生長一種寬帶隙材料的一個短帶隙片斷。
納米須晶生長方向控制的又進一步改善是所希望。例如，會為正交於不可兼容基材表面的初始須晶生長方向提供的方法—即，其中該須晶的優先生長方向斜交於該表面—會是高度理想的，這樣的方法會產生的結構亦然。這樣一種方法使得須晶的生長能在其整個長度(或更一般地說，至少其長度的初始部分)上正交於該表面，與以前觀察到的、有斜交於該表面的初始生長方向的扭轉納米須晶相反。
發明概要本發明涉及納米須晶的方向受控生長、和涉及包括這樣的須晶的結構，且除其它事情外還提供有剛才描述的高度理想特徵的方法和結構。因此，本發明提供了其中納米須晶有至少一個在非優先生長方向上從基材表面生長起來的基底部分的方法和結構。
發明內容
本發明一方面認識到，特定半導體材料的納米須晶有優先生長方向，而且特定半導體材料的常用市售基材有特定晶面界定一個與優先生長方向不對應的主要表面。因此，本發明提供一種納米須晶生長機理，該機理使得納米須晶能在一個非優先生長方向上從一個不對應於優先生長方向的晶面所定義的基材主要表面生長出來。
本發明也提供一種納米工程結構，包含在一個非優先生長方向上從一個基材主要表面直立起來(或至少有一個初始或基底部分直立起來)的納米須晶，其中定義該表面的晶面對應於該納米須晶的非優先生長方向。該納米須晶的該生長方向較好在其整個長度上得到保持。然而，屬於本發明的更廣闊範圍內的是，該生長方向可以在該須晶基底部分生長之後通過改變該須晶的生長條件(例如構成材料)而從初始的非優先生長方向改變。
更一般地說，本發明提供的納米須晶包括在基材上生長的、有改善的結構形式的納米須晶。
為了本說明書之目的，要理解的是，在一個表面或晶面由Miller指數(hk1)定義—其中h、k和1是數值—的情況下，這「對應」於納米須晶生長方向hk1。
本發明另一方面認識到，在審填地希望一種納米須晶從一個基材表面在一個非優先生長方向上生長的情況下，生長開始時的核化條件可以如此調節，以致在催化微粒與該基材之間的界面上不產生一種會引起該納米須晶在一個優先生長方向上生長的條件。
因此，按照其另一個方面，本發明提供一種在一個提供預定晶體平面的基材表面上的納米須晶生長方法，該方法包含在該基材表面上提供至少一個催化微粒，和從每個所述催化微粒在一個屬於該納米須晶的非優先生長方向的預定生長方向上生長一種納米須晶，且生長開始時的核心條件調整得能控制每個所述催化微粒與該基材之間的界面，使得所述晶體平面像所述基材表面那樣保持在該界面上，從而能定義和穩定所述預定生長方向。該納米須晶可以是與該基材的相同的材料，也可以是與該基材的不同的材料。
按照本發明，該納米須晶生長方向可以通過在該核化事件開始時控制表麵條件來定義和穩定化。這種核化會受到該基材表面上催化微粒的預處理強烈影響。慣常地，在將該催化微粒提供於該基材表面上之後，並在納米須晶生長啟動之前，執行一個高溫退火步驟。在這樣一個退火步驟中，基材材料被該催化微粒所消耗或溶解於其中，這造成該催化微粒坐落於其中的基材表面降低或凹穴。這樣的凹穴可以使(111)這樣的晶面裸露出來，從而可能引起在111這樣的優先方向上垂直於這樣的晶面的納米須晶生長。因此，在本發明實施時，較好省略這樣一個退火步驟。更一般地說，初始納米須晶生長的核化階段較好包含從氣相中吸收成分材料來創造該催化微粒內的過飽和條件；基材材料不在顯著程度上做出貢獻。
當核化條件啟動時，較好保持儘可能低的、與確保恰當核化與生長相一致的溫度。進而，已經發現，該催化微粒當在這樣的條件下加熱時可能對下面的基材表面執行一種「熨鬥」效應從而「消除」不規則性、原子臺階等，這進一步有助於保持一個充分定義的表面。該表面可以等於原子上平整的表面而無原子臺階等，因此，納米須晶除在所希望的非優先方向上生長外別無其它可能性。然而，為了迫使其在所希望的方向上生長，完美的原子平整性可能不是必要的。
進而，催化微粒雖然通常為非反應性材料例如Au但可以由該納米須晶的構成元素(例如第III族材料如In)形成或包括該構成元素。因此，核化和過飽和條件可以更快地達到，並減少從其周圍吸收到該催化微粒中的構成材料數量。
在一個進一步方面，本發明提供一種結構，包含一種有一個能提供一個(001)晶體平面的表面的基材，和至少一種至少在初始階段從該表面在一個相對於該表面而言的001方向上延伸的納米須晶，其中該001方向對應於該納米須晶的一個非優先生長方向，就在於一個或多個其它方向更有益於生長。
在一個更一般的方面，本發明提供一種結構，包含一種有一個由一個預定晶體平面定義的主要表面的基材，和至少一種至少在初始階段從該表面在一個對應於該晶體平面的方向上延伸的納米須晶，其中該納米須晶的方向是該納米須晶的一個非優先生長方向，就在於一個或多個其它方向更有益於生長。
已經發現，III-V材料的(001)表面當暴露於氣態形式的適當材料時尤其有益於整體取向生長。這可能競爭、抑制、或妨礙納米須晶生長。
按照本發明的一個進一步方向，一種基材表面上納米須晶生長方法包含將至少一個催化微粒配置於該基材表面上，該基材表面提供一個預定晶體平面，和從每個所述催化微粒在一個預定方向上從不對應於該納米須晶的優先生長方向的表面生長出一種納米須晶，且其中在生長條件建立之前在該基材表面上形成一種鈍化材料掩膜以抑制用來形成該納米須晶的材料的整體生長。
在一種較好的實施方案中，本發明提供一種在III-V半導體材料基材的(001)表面上的納米須晶生長方法，其中將至少一個催化微粒配置於該(001)基材表面上，並建立生長條件其中施加熱量，並以氣態形式導入構成材料，用來從每個所述催化微粒在相對於該表面而言的001方向上生長一種納米須晶，且其中在生長條件建立之前在該基材表面上形成一種鈍化材料掩膜以抑制整體生長。
在一個進一步方面，本發明提供一種結構，包含一種有一個由預定晶面定義的表面的基材，和至少一種從所述表面在一個對應於所述晶面但不對應於該納米須晶的優先生長方向的方向上延伸的納米須晶，和一層配置於該基材表面上的鈍化材料。
在一種較好的形式，該結構包含一種有一個(001)表面的III-V半導體材料的基材，和至少一種從所述表面在一個相對於該表面而言的001方向上延伸的納米須晶，和一層配置於該基材表面上的鈍化材料。
該鈍化材料掩膜可以是氧化矽或氮化矽，如2004年1月7日提交的實審中美國專利申請No.10/751,944(其全文列為本文參考文獻)中所描述的。每個催化微粒都可以配置在該掩膜內的各自小孔中。替而代之，和作為較好的，可以採用一層沉積在該基材和催化微粒上的含碳材料。一種特別好的材料是賴氨酸(一種胺基酸)。當加熱時，該材料分解留下一薄層含碳和用來抑制在該基材上的整體生長的材料，該薄層可以薄到一個單分子層。儘管該層還塗布了該催化微粒，但它是如此薄，以致它不會擾動或抑制納米須晶生長。
作為一種將該催化微粒定位在該基材表面上的方法，較好使用該微粒從一種氣溶膠的沉積。可以採用一種如國際專利申請公報No.WO01/84238(其全文列為本文參考文獻)中所述的方法。在希望使用石印法將催化微粒例如金定位在該基材上的情況下，適當的是確保各工藝步驟例如刻蝕掩膜以定義該催化微粒的位置中無一造成所不希望的下陷。
關於該催化微粒的材料，這可以包含一種非反應性材料例如Au。替而代之，該Au可以與諸如一種第III族材料合金而成為該納米須晶化合物的一部分。替而代之，該微粒可以是非均相的—例如有一個Au區域和一個第III族材料區域。替而代之，該催化微粒可以是整個由第III族材料例如In構成的。
關於該納米須晶的材料，這不一定是與基材的相同的，而可以是任何所希望的材料。當在半導體基材上形成半導體納米須晶時，該須晶的材料可以是與該基材材料的同一半導體族的，也可以是不同半導體族的。以下所述的而且已經達到優異結果的一種具體實施方案涉及在一個(001)InP基材表面上在001方向上生長的InP納米須晶。
除III-V材料外，可以將第IV族和第II-VI族半導體材料及其它基材材料的基材用於納米須晶生長。商業上提供的III-V材料基材通常有(001)表面；而有(111)表面的基材則昂貴得多。雖然以下參照InP描述了本發明的具體實施方案，但本發明也可以用例如GaP和InAs基材實施。含Ga材料的基材可能有更厚和更具抗性的、較好應當在核化之前去除的氧化物形成，但在基材表面上不形成凹穴。
在第IV族半導體基材材料當中，Si在電子部件製造中廣泛用來作為基材材料。穩定的矽表面包括(001)、(111)、和(113)。大多數電子部件是在(001)表面上製作的。此前，已經從(001)表面在優先的(和斜交的)111方向上生長出納米須晶。然而，按照本發明的技術，納米須晶可以在正交於不對應於優先生長方向的此類表面的方向上—例如在001方向上從(001)表面生長出來。
本發明原則上可應用於可以用於製造納米須晶及其基材的任何一種材料。這樣的材料通常是由第II族至第VI族元素構成的半導體。這樣的元素包括但不限於下列元素第II族Be、Mg、Ca、Zn、Cd、Hg；第III族B、Al、Ga、In、Tl；第IV族C、Si、Ge、Sn、Pb；第V族N、P、As、Sb；第VI族O、S、Se、Te。
半導體化合物通常由2種元素生成而製成III-V化合物或II-VI化合物。然而，也採用涉及例如來自第II族或來自第III族的2種元素的三元或四元化合物。可以採用元素的化學論量或非化學論量混合物。
III-V材料和II-VI材料包括但不限於下列AlN，GaN，SiC，BP，InN，GaP，AlP，AlAs，GaAS，InP，PbS，PbSe，InAs，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，AlSb，GaSb，SnTe，InSb，HgTe，CdTe，ZnTe，ZnO。
還有本發明適用的很多半導體材料見例如「Handbook ofChemistry and Physics」-CRC-Properties of Semiconductors-僅供更完全的處理。
按照本發明，半導體基材可以選自以上第IV族、III-V或II-VI材料之一，而納米須晶可以選自相同或不同的第IV族、III-V或II-VI材料。
附圖簡要說明現在參照附圖描述本發明的較好實施方案，其中圖1(a)～1(d)是按照本發明在InP基材(001)上InP納米須晶的SEM影像(a)頂視圖，(b)放大頂視圖，(c)基材上的30°斜視圖，(d)基材順時針旋轉40°後的單須晶放大圖。
圖2(a)和2(b)是按照不同起始(核化)條件引起的不同生長方向來解釋本發明的示意圖。
圖3(a)～3(e)是InP納米須晶的TEM影像，說明相對於在優先111B方向上生長的納米須晶而言按照本發明在非優先001方向上生長的納米須晶的比較特徵。
圖4(a)顯示來自按照本發明的001納米須晶(粗線)和典型111B須晶(細線)的光致發光譜，而圖4(b)是有圖4(a)中光致發光譜的001須晶的SEM影像。
發明實施方式按照本發明，已經發現，在一個非優先方向上(例如，從(001)晶體平面在001方向上)納米須晶的生長一旦建立就是穩定的。本發明更具體地認識到通過控制核化事件開始時的條件來定義和穩定生長方向是可能的。
以下討論描述了本發明對在(001)InP基材上直接由金屬有機蒸氣相取向生長而生長的
InP納米須晶的應用實例。該納米須晶用掃描電子顯微鏡法和透射電子顯微鏡法進行表徵，並發現有實質上優於在優先111B方向上生長的比較須晶的結構特徵的結構特徵，如同以下將詳細討論的。
InP納米須晶是使用低壓-金屬有機蒸氣相取向生長(MOVPE)法生長的。將氣溶膠產生的50nm Au微粒沉積在(001)InP基材上，然後將後者置於一個RF加熱石墨感受器上的臥式反應器室內。使用壓力為100mBar(10kPa)、流量為6L/min的氫載氣。向該反應器室中供應摩爾分數為1.5×10-2的恆定膦流量，用5分鐘時間將樣品加熱到420℃。在這個升溫步驟之後，立即通過將三甲基銦(TMI)導入該反應器室中開始納米須晶的生長。TMI摩爾分數為3×10-6，典型的生長時間是8分鐘。應當注意的是，這種納米須晶生產方法區別於常用的納米須晶生長程序，其中Au微粒在須晶生長之前在較高溫度下退火以期使表面去氧化並使該Au催化劑與該半導體材料形成合金。此外，為了改善與(001)表面上的競爭性整體生長有關的
納米須晶生長，先將有沉積的Au微粒的基材浸入一種聚-L-賴氨酸溶液中、然後將其插入該生長室。已知L-賴氨酸(2，6-二氨基己酸)是一種蒸氣壓低的粘合活性物質。其一水合物在212-214℃之間熔融分解，在該表面上留下一個薄的鈍化層。這一層防止在裸(001)InP表面上的InP生長。
樣品表徵是使用一臺在15kV運行的JSM 6400F場致發射掃描電子顯微鏡(SEM)進行的。圖1(a)～1(d)顯示按以上所述程序生長的
InP納米須晶的SEM影像。圖1(a)是頂視圖。圖1(b)是放大頂視圖。圖1(c)是與基材斜交30°角的視圖，而圖1(d)顯示該基材順時針旋轉40°之後單須晶的放大圖。在圖1(b)中，由
取向須晶的階式{110}側面形成的矩形須晶形狀是顯而易見的。
須晶生長的最顯著效果是所觀察到的高度完美結晶。圖3(a)～3(e)顯示在
和作為比較的111B上生長的InP絲的高分辨透射電子顯微鏡(TEM)影像。該
絲顯然是無缺陷的，而111B生長的須晶含有高濃度堆垛層錯。111B的六角形或立方形堆垛序列的能量差異小，作為垂直於生長方向的平面缺陷的堆垛層錯可以自由地終止於該納米須晶側面。
生長期間類似缺陷的形成會需要克服活化壁壘來產生弗蘭克部分位錯。圖3(a)是顯示無缺陷
生長納米須晶的側視圖。圖3(b)是圖3(a)中方框區域的放大，顯示[110]投影中無缺陷閃鋅礦結構的原子晶格。圖3(c)是[110]投影的傅立葉變換。圖3(d)是一幅側視圖，顯示一種慣常生長的111B方向納米須晶，在沿整個晶絲上充滿堆垛層錯。圖3(e)是圖3(d)納米須晶的閉合，顯示導致纖鋅礦結構片斷的鏡面堆垛層錯。
圖3(a)～3(e)的TEM影像是從通過讓TEM格柵觸及該納米須晶基材而從該基材上折斷的納米須晶拍攝的。
在
上生長的納米須晶的更高材料完美性在光致發光研究中也是顯而易見的。為了進行光致發光(PL)研究，將納米須晶轉移到一枚熱氧化的Si片上，該Si片上產生了金圖案以便利PL研究的須晶的定位和識別。測定是在液He溫度下進行的。使用在532nm發射的頻率倍增Nd-YAG雷射器激發。該發光是通過一臺光學顯微鏡收集、通過一臺分光計分散、由一臺液N2冷卻的CCD檢測的。
按照本發明生長的單一
InP納米須晶的光致發光測定顯示出在大約1.4eV的窄且強發射峰，而111B慣常生長參照須晶顯示出在較低能量的額外寬闊發光峰。圖4(a)顯示來自本發明的001納米須晶的光致發光譜，有與該須晶相聯繫的強烈帶隙相關發光(粗線)，而典型的111B須晶有在較低能量的較弱發光和額外的寬峰(細線；疊加在寬主特色頂上的小峰是該CCD內部幹擾引起的後生物)。圖4(b)顯示一種在圖4(a)中顯示強PL的001須晶的SEM影像。
有退火的情況與無退火的情況之間的差異可以用圖2(a)和2(b)中的圖示來解釋。圖2(a)顯示退火後從(001)表面上的小Au滴上的生長。InP會局部地溶解而形成Au/In合金，導致形成一個坑。該坑內的兩個側面有{111}B特徵。在高溫(＞500℃)，InP會局部地溶解而與Au反應。在該坑內在這樣的條件下發展的典型Au/半導體界面是低能面{111}B和{011}，而不是定義基材主表面的(001)面。這樣的低能量面上的核化可能是常觀察到的[1-11]和[-111]須晶生長的以及更少觀察到的、為GaAs-MBE報告的011方向的起始點。
圖2(b)顯示按照本發明從無退火的小Au滴的生長。Au/In合金通過Au與TMI反應生成，使得該小Au滴下的(001)表面依然基本上保持原樣。不在較高溫度下退火，InP與Au之間的反應會受到抑制。溶解於該小Au滴內的In和P將大部分來自蒸氣相中TMI和PH3的供應而不以基材材料為代價。當達到臨界過飽和時，核化就在InP(001)/Au界面開始，因此，可以將晶絲生長控制得能在
方向上發生。在所有樣品中，都發現了以
晶絲為主的區域，但也發現了以111B晶絲為主的區域。由於使用輕微誤取向的基材(0.2°)，因而這種不同行為可能是由於(001)基材表面上階梯結構的橫向差異引起的。
因此，將知道的是，本發明除其它優點外還能達到(1)屬於無堆垛層錯的高度完美閃鋅礦晶體、顯示出強烈單晶絲髮光的納米晶絲，和(2)能在工業上可行的(001)基材取向上垂直生長。
權利要求
1.一種納米須晶生長方法，包含將一個催化微粒配置於一個基材表面上，該基材表面提供一個預定晶體平面；和使納米須晶的至少一個基底部分從該催化微粒在一個預定生長方向即該納米須晶的非優先生長方向上生長，將生長開始時的核化條件調整得能控制該催化微粒與該基材之間的界面，使得能將所述晶體平面作為所述基材表面保持在該界面上，從而能限定和穩定所述預定生長方向。
2.按照權利要求1的方法，其中將條件調整得能達到該納米須晶的核化，且該催化微粒實質上不消耗來自該基材的材料。
3.按照權利要求1的方法，其中將條件調整得能避免在該催化微粒與該基材之間的界面上產生小坑或凹穴。
4.按照權利要求1的方法，其中將條件調整得在該催化微粒與該基材之間的界面上不裸露出一個對應於納米須晶生長優先方向的晶面。
5.按照權利要求1的方法，其中配置於基材表面上的催化微粒不經初始退火就能開始須晶核化。
6.按照權利要求1的方法，其中所述納米須晶包含一種III-V半導體化合物。
7.按照權利要求6的方法，其中銦是該半導體化合物的第III族成分。
8.按照權利要求6的方法，其中該預定方向是001方向。
9.按照權利要求1的方法，其中所述晶體平面是一個(001)平面。
10.按照權利要求1的方法，其中該基材包含一種III-V半導體化合物。
11.按照權利要求10的方法，其中銦是該半導體化合物的第III族成分。
12.按照權利要求1的方法，其中在生長條件建立之前在該基材表面上形成一種鈍化材料掩膜抑制整體生長。
13.按照權利要求12的方法，其中該掩膜是一種在該基材表面上蒸發以提供一個含碳薄層的含碳材料。
14.按照權利要求13的方法，其中該掩膜是從一種胺基酸形成的。
15.按照權利要求1的方法，其中所述催化微粒是從一種氣溶膠沉積到該基材表面上的。
16.按照權利要求1的方法，其中該催化微粒是至少部分地用一種能構成該納米須晶的一部分的構成元素預形成的。
17.按照權利要求1的方法，其中納米須晶生長是在低溫進行的，以便抑制基材材料對該納米須晶生長的貢獻。
18.一種納米須晶生長方法，包含在(001)基材表面上提供一種催化微粒；和建立生長條件，其中施加熱量並以氣態形式導入構成材料，從而從該催化微粒生長一種有至少一個III-V半導體化合物基底部分的納米須晶，其中生長開始時的核化條件調整得使該納米須晶的基底部分從該基材表面在001方向上生長出來。
19.按照權利要求18的方法，其中將條件調整得在該催化微粒與該基材之間的界面上不產生小坑或凹穴。
20.按照權利要求18的方法，其中將條件調整得在該催化微粒與該基材之間的界面上不裸露出一個對應於納米須晶生長優先方向的晶面。
21.按照權利要求18的方法，其中配置於基材表面上的催化微粒不經初始退火就能開始須晶核化。
22.按照權利要求18的方法，其中銦是該半導體化合物的第III族成分。
23.按照權利要求18的方法，其中該基材包含一種III-V半導體化合物。
24.按照權利要求23的方法，其中銦是該半導體化合物的第III族成分。
25.按照權利要求18的方法，其中該催化微粒是從一種氣溶膠沉積到該基材表面上的。
26.按照權利要求18的方法，其中該催化微粒是至少部分地用一種能構成該納米須晶的一部分的構成元素預形成的。
27.按照權利要求18的方法，其中納米須晶生長是在低溫進行的，從而抑制了基材材料對該納米須晶生長的貢獻。
28.一種結構，包含一種基材，其主要表面由一個預定晶體平面限定；和至少一種納米須晶，其至少一個基底部分從該表面在一個對應於該晶體平面的方向上延伸，其中所述方向是該納米須晶的非優先生長方向。
29.按照權利要求28的結構，其中所述納米須晶包含一種III-V半導體化合物。
30.按照權利要求29的結構，其中銦是該半導體化合物的第III族成分。
31.按照權利要求28的結構，其中該基材包含一種III-V半導體化合物。
32.按照權利要求31的結構，其中該化合物的第III族部分包括銦。
33.按照權利要求28的結構，其中該納米須晶的橫截面是實質上矩形的。
34.一種結構，包含一種半導體材料基材，其一個表面提供一個(001)晶體平面；和至少一種納米須晶，其至少一個III-V半導體材料基底部分從該表面在相對於該表面而言的001方向上延伸，其中該001方向是該納米須晶的非優先生長方向。
35.一種納米須晶生長方法，包含提供一種基材，其一個主要表面由一個預定晶體平面限定；在該基材表面上配置一種催化微粒；和建立生長條件，其中施加熱量和導入氣態形式的構成材料，從而從該基材表面經由該催化微粒在一個預定方向即該納米須晶的非優先生長方向上生長一種納米須晶的至少一個基底部分，其中，在生長條件建立之前，在該基材表面上形成一種鈍化材料掩膜，以抑制會與該納米須晶在所述預定方向上的生長競爭的整體生長。
36.按照權利要求35的方法，其中所述納米須晶包含一種III-V半導體化合物。
37.按照權利要求36的方法，其中銦是該半導體化合物的一種第III族成分。
38.按照權利要求35的方法，其中該基材包含一種III-V半導體化合物。
39.按照權利要求38的方法，其中銦是該半導體化合物的一種第III族成分。
40.按照權利要求39的方法，其中該掩膜是一種在該基材表面上蒸發以提供一個含碳薄層的含碳材料。
41.按照權利要求40的方法，其中該掩膜是從一種胺基酸形成的。
42.按照權利要求35的方法，其中該掩膜是在該催化微粒配置於該基材表面上之後提供的。
43.按照權利要求35的方法，其中該納米須晶生長的啟動無需一個臨開始前退火步驟。
44.按照權利要求35的方法，其中生長開始時的核化條件調整得能控制該催化微粒與該基材之間的界面，使得所述晶體平面作為所述基材表面保持在該界面上，從而限定和穩定所述生長方向。
45.一種納米須晶生長方法，包含將一種催化微粒配置於一個(001)基材表面上；和建立生長條件，其中施加熱量並導入氣態形式的構成材料，從而從該催化微粒在相對於該基材表面而言的001方向上生長一種包括III-V半導體化合物的納米須晶的至少一個基底部分，其中，在生長條件建立之前，在該基材表面上形成一種鈍化材料掩膜，以抑制該半導體化合物在該基材表面上的整體生長。
46.一種結構，包含一種有一個(001)表面的半導體材料基材，和至少一種納米須晶，其至少一個包括一種III-V半導體材料的基底部分從該基材表面在一個相對於該基材表面的001方向上延伸，和一層配置於該基材表面上的鈍化材料。
47.一種結構，包含一種有一個由一個預定晶面限定的主要表面的基材，和至少一種納米須晶，其至少一個基底部分從所述表面在一個對應於所述晶面的方向即該納米須晶的非優先生長方向上延伸，和一層配置於該基材表面上的鈍化材料。
48.按照權利要求47的結構，其中所述納米須晶包含一種III-V半導體化合物。
49.按照權利要求48的結構，其中銦是該半導體化合物的一種第III族成分。
50.按照權利要求48的結構，其中該納米須晶有實質上矩形的橫截面。
51.按照權利要求48的結構，其中該鈍化材料由一薄層含碳材料構成。
52.按照權利要求1的方法，其中該納米須晶的實質上整個長度都是在所述預定方向上生長的。
53.按照權利要求18的方法，其中所述納米須晶的實質上整個長度都是在所述001方向上生長的。
54.按照權利要求28的結構，其中實質上該納米須晶的整個長度都在對應於該晶體平面的所述方向上延伸。
55.按照權利要求34的結構，其中實質上該納米須晶的整個長度都在所述001方向上延伸。
56.按照權利要求35的方法，其中該納米須晶的實質上整個長度都在所述預定方向上生長。
57.按照權利要求45的方法，其中所述納米須晶的實質上整個長度都在所述001方向上生長。
58.按照權利要求46的結構，其中實質上該納米須晶的整個長度都在所述001方向上延伸。
59.按照權利要求47的結構，其中實質上該納米須晶的整個長度都在對應於該晶面的所述方向上延伸。
60.一種方法，包含提供一種有一個由一個預定晶體平面限定的主要表面的基材，和從該基材表面用VLS方法生長一種納米須晶，使得該納米須晶的至少一個基底部分從該基材表面在一個非優先生長方向上生長。
61.一種結構，包含一種用權利要求60的方法生長的納米須晶。
全文摘要
納米須晶是通過調節核化條件以抑制優先方向上的生長而在非優先生長方向上生長的。在一種較好實施方案中，III－V半導體納米須晶是通過有效抑制優先B方向上的生長而III－V半導體基材表面上生長的。作為一個實例，InP納米絲是通過金屬有機蒸氣相取向生長而直接在InP基材上生長的。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的表徵揭示了有近似方形橫截面和無堆垛層錯的完美閃鋅礦晶體結構的絲。
文檔編號C30B25/00GK1961100SQ200580009729
公開日2007年5月9日 申請日期2005年2月4日 優先權日2004年2月6日
發明者W·塞弗特, L·I·薩穆爾森, B·J·奧爾森, L·M·博格斯特羅姆 申請人:昆南諾股份有限公司