用于制备纳米线结构的方法
【专利说明】用于制备纳米线结构的方法
[0001]本申请是申请日为2010年12月22日、申请号为201080064565.6、发明名称为“用于制备纳米线结构的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及纳米线器件的制备，尤其涉及包括从衬底沿预定方向排列并且突出的纳米线的纳米线器件。
【背景技术】
[0003]近年来对半导体纳米线的兴趣在增长。与常规的平面技术相比，基于纳米线的半导体器件提供了归因于纳米线的一维属性的独一无二的特性、归因于较少的晶格匹配限制的在材料组合方面提高的灵活性以及新型器件构架的可能性。用于生长半导体纳米线的合适方法在本技术领域中是已知的，并且一个基本制程是在半导体衬底上通过粒子辅助生长或所谓的VLS (气-液-固)机制的纳米线形成，这例如在US 7，335，908中被公开。举例来说可利用化学束外延(CBE)、金属有机化学气相沉积(M0CVD)、金属有机气相外延(M0VPE)、分子束外延(MBE)、激光消融以及热蒸发方法来实现粒子辅助生长。然而，纳米线生长不限于VLS制程，例如W0 2007/102781示出了可在不将粒子用作催化剂的情况下在半导体衬底上生长半导体纳米线。纳米线已被用于实现诸如太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管、热电元件等器件，这些器件在许多情况下表现优于基于平面技术的常规器件。
[0004]虽然具有有利的特性和性能，但纳米线器件的处理起初还是昂贵的。在这个方面的一个重要突破是已论证了用于在硅衬底上生长第II1-V族半导体纳米线以及其他半导体纳米线的方法，该方法由于提供了与现有硅处理的兼容性并且可用更便宜的硅衬底取代负担不起的第πι-v族衬底而是重要的。
[0005]当利用上文所提及的技术生产包括生长在半导体衬底上的纳米线的半导体纳米线器件时，会经历大量的限制:
-M0CVD系统是复杂的真空系统，这对器件的生产成本有显著影响；
-生长分批执行，在各个批次之间存在固有变化；
-大量纳米线在大表面上的生长引起同一批次的纳米线之间的变化；
-纳米线生长在衬底上，其需要经受住400-700°C的温度；以及 -为了沿竖直方向或任何其他方向排列纳米线，在半导体衬底上需要受控的外延生长。
【发明内容】
[0006]鉴于上述内容，本发明的一个目的是提供克服现有技术的上述缺点的用于生产纳米线半导体器件的替代方法。更特别地，目的是要提供这样一种纳米线，即无论它们被设置在何种衬底上，所述纳米线均具有明确限定并且受控的定向。
[0007]因此，一种用于排列纳米线的方法被提供。所述方法包括提供纳米线以及在纳米线的群体上施加电场的步骤，由此所述纳米线中的电极化使这些纳米线沿所述电场排列。优选地，在所述提供和排列步骤期间使所述纳米线分散在流体(气体或液体)中。
[0008]除了使线在电场中排列的极化之外，可在所述线中感生电偶极子以提供进一步的方向性并且增强所述排列。这样的偶极子可由pn结沿所述线的轴线方向感生；或由肖特基二极管在所述线的半导体区与金属区之间感生；或由压电效应感生；并且所述效应可通过在排列期间照射所述线来增强，从而在所述线的端部之间有效地感生开路光电压。由于光电二极管的开路电压仅随照度对数性地变化，因此这种光感生的偶极子的大小实质上与光照强度无关。
[0009]当被排列好时，所述纳米线可以被固定，优选地与衬底接触。所述电场可被用于使所述纳米线与所述衬底或相对的表面接触。带电荷的纳米线在均勾电场中被吸引至带相反电荷的表面。在场梯度的情况下，不带电荷的纳米线被吸引至具有更高电场的区域。
[0010]场梯度中的带电荷的线将经历这两种效应，或者沿相反方向或者沿相同方向。由所述线上的电荷所引起的力仅取决于所述电荷以及所述电场强度。由所述梯度所引起的力取决于场强、线尺寸以及电极化率。因此，通过沿相反方向设置所述两个力，可根据长度、尺寸以及组成来对纳米线进行分类。其自身上的梯度力也可被用于分类，在这种情况下，仅力的差异被用于沿不同方向引导线。
[0011]具有带pn结的纳米线和/或用(一个或多个)预定波长的光照射所述纳米线可以有助于排列所述纳米线和/或实现纳米线的一个或多个子群体的选择性排列。
[0012]所述方法可在连续的制程中执行，诸如卷对卷制程，其中沿所述衬底以预定构造重复提供和沉积所述纳米线的群体。
[0013]由于本发明，以成本高效的方式生产包括排列好的纳米线的纳米线器件而不受外延方法的局限性限制是有可能的。
[0014]本发明的一个优点在于可以独立于纳米线在衬底上的沉积来生产纳米线。因而可以使用连续的制程。这简化了纳米线器件的制备并且提高了良率。
[0015]采用这里所描述的方法沉积的纳米线可竖直排列，仅偏离法线小的角度，或者具有大的角度扩散。在后者的情况下，关键在于所述线具有清晰的优先方向，使得大部分线具有朝向所述衬底的相同端部。在前者的情况下，竖直排列可能更重要，而向上/向下定向可能不那么重要。
[0016]在从属权利要求中限定了本发明的各实施例。当结合附图和权利要求考虑时，本发明的其他目的、优点和新颖性特征将从以下对本发明的详细说明中变得显而易见。
【附图说明】
[0017]现在将参考附图来描述本发明的优选实施例，其中图1示意性地示出了根据本发明的纳米线排列。
[0018]图2示意性地示出了在电场梯度中对线进行分类的概念。长且细的线比较短、较粗的线更强烈地朝向更高的电场被吸引。对于合适尺寸的带电荷的线，可使由电荷所引起的力与由梯度所引起的力抵消。
[0019]图3a示意性地示出了电场中的纳米线的尺寸和排列角度。
[0020]图3b示出了相对于电场定向为“向上”和“向下”的纳米线的概念。
[0021]图4针对具有两种不同尺寸但处于相同电场(1000 V/cm)的线比较由极化所引起的理论排列能量(绿色虚线)、光感生偶极子(红色实线)以及它们的总和(紫色点线)。较长的线(4b)的排列比较短的线(4a)的排列强，但是光感生偶极子太弱以至于并不重要。
[0022]图5针对具有相同尺寸但处于不同电场(分别为1000 V/cm和300 V/cm)的线比较了由极化所引起的理论排列能量(绿色虚线)、光感生偶极子(红色实线)以及它们的总和(紫色点线)。较高的场(5a，与4b相同)中的排列比较低的场(5b)中的排列强，但在后者的情况下，光感生偶极子足够强以主导排列并且提供优先方向。
[0023]图6示出了与4a中相同的线在变化的电场中用于“向上”(红色实线)和“向下”(绿色虚线)方向的排列能量。存在大范围的场，其中“上”能量大于10 kT(即为了克服1 kT的布朗转动能量)，但其中“下”能量较低。对于非常细且长的线(未示出)，不存在其中方向性重要的区域。
[0024]图7示意性地示出了其中不同种类的线排列正在进行的状况。坐标轴不一定是线性的，并且各个状况之间的边界不应被视为如图所示那样的分明或者如图所示的那样造型简单。
[0025]图8示出了应用本发明的一些主要方式。自然地，可以许多方式和以不同顺序来重新设置各个部分，太复杂而不在这里示意。例如，线尺寸分类可与以不同波长的光照结合并且与竖直排列串联以根据尺寸和组成两者选择性地沉积线。
【具体实施方式】
[0026]本发明的方法包括提供纳米线以及在纳米线上施加电场的步骤，由此纳米线中的电偶极子和/或偶极矩使纳米线沿电场排列。
[0027]为了制备包括排列好的纳米线的结构，排列好的纳米线必须被固定在排列好的位置上。此外，纳米线优选地在一端或两端电连接和/或光连接。因此，排列好的纳米线优选地被沉积在衬底上。
[0028]可在施加电场之前使预制的纳米线分散在流体中，并且相应地，可在施加电场之前将包含纳米线的流体涂在衬底上。
[0029]如果没有另行明确说明，则为了示出本发明的原理，电场在下文中被定向为“朝上”，但并不限于此。
[0030]纳米线可在被提供用于排列之前预制。可使用前面所提及的方法之一来制作半导体纳米线，其中将纳米线外延生长在衬底上。生长之后，将纳米线从它们的衬底上移除并且优选使纳米线分散在流体(气体或液体)中。还可使用基于液体溶剂的化学或气相合成来制作纳米线，其中纳米线生长自晶种粒子。在这些制程中，纳米线可以分别保持在液体或气体的剩余物中，或者可以被转移至合适的流体，该流体也可以是液体或气体。
[0031]单极纳米线、具有轴向pn结的纳米线、具有径向pn结的纳米线、异质结构纳米线等可以被使用并且通常使用上文所提及的技术之一来制作。在单个制程中生长具有轴向pn结的纳米线，其中晶种粒子包含针对
【专利说明】用于制备纳米线结构的方法
[0001]本申请是申请日为2010年12月22日、申请号为201080064565.6、发明名称为“用于制备纳米线结构的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及纳米线器件的制备，尤其涉及包括从衬底沿预定方向排列并且突出的纳米线的纳米线器件。
【背景技术】
[0003]近年来对半导体纳米线的兴趣在增长。与常规的平面技术相比，基于纳米线的半导体器件提供了归因于纳米线的一维属性的独一无二的特性、归因于较少的晶格匹配限制的在材料组合方面提高的灵活性以及新型器件构架的可能性。用于生长半导体纳米线的合适方法在本技术领域中是已知的，并且一个基本制程是在半导体衬底上通过粒子辅助生长或所谓的VLS (气-液-固)机制的纳米线形成，这例如在US 7，335，908中被公开。举例来说可利用化学束外延(CBE)、金属有机化学气相沉积(M0CVD)、金属有机气相外延(M0VPE)、分子束外延(MBE)、激光消融以及热蒸发方法来实现粒子辅助生长。然而，纳米线生长不限于VLS制程，例如W0 2007/102781示出了可在不将粒子用作催化剂的情况下在半导体衬底上生长半导体纳米线。纳米线已被用于实现诸如太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管、热电元件等器件，这些器件在许多情况下表现优于基于平面技术的常规器件。
[0004]虽然具有有利的特性和性能，但纳米线器件的处理起初还是昂贵的。在这个方面的一个重要突破是已论证了用于在硅衬底上生长第II1-V族半导体纳米线以及其他半导体纳米线的方法，该方法由于提供了与现有硅处理的兼容性并且可用更便宜的硅衬底取代负担不起的第πι-v族衬底而是重要的。
[0005]当利用上文所提及的技术生产包括生长在半导体衬底上的纳米线的半导体纳米线器件时，会经历大量的限制:
-M0CVD系统是复杂的真空系统，这对器件的生产成本有显著影响；
-生长分批执行，在各个批次之间存在固有变化；
-大量纳米线在大表面上的生长引起同一批次的纳米线之间的变化；
-纳米线生长在衬底上，其需要经受住400-700°C的温度；以及 -为了沿竖直方向或任何其他方向排列纳米线，在半导体衬底上需要受控的外延生长。
【发明内容】
[0006]鉴于上述内容，本发明的一个目的是提供克服现有技术的上述缺点的用于生产纳米线半导体器件的替代方法。更特别地，目的是要提供这样一种纳米线，即无论它们被设置在何种衬底上，所述纳米线均具有明确限定并且受控的定向。
[0007]因此，一种用于排列纳米线的方法被提供。所述方法包括提供纳米线以及在纳米线的群体上施加电场的步骤，由此所述纳米线中的电极化使这些纳米线沿所述电场排列。优选地，在所述提供和排列步骤期间使所述纳米线分散在流体(气体或液体)中。
[0008]除了使线在电场中排列的极化之外，可在所述线中感生电偶极子以提供进一步的方向性并且增强所述排列。这样的偶极子可由pn结沿所述线的轴线方向感生；或由肖特基二极管在所述线的半导体区与金属区之间感生；或由压电效应感生；并且所述效应可通过在排列期间照射所述线来增强，从而在所述线的端部之间有效地感生开路光电压。由于光电二极管的开路电压仅随照度对数性地变化，因此这种光感生的偶极子的大小实质上与光照强度无关。
[0009]当被排列好时，所述纳米线可以被固定，优选地与衬底接触。所述电场可被用于使所述纳米线与所述衬底或相对的表面接触。带电荷的纳米线在均勾电场中被吸引至带相反电荷的表面。在场梯度的情况下，不带电荷的纳米线被吸引至具有更高电场的区域。
[0010]场梯度中的带电荷的线将经历这两种效应，或者沿相反方向或者沿相同方向。由所述线上的电荷所引起的力仅取决于所述电荷以及所述电场强度。由所述梯度所引起的力取决于场强、线尺寸以及电极化率。因此，通过沿相反方向设置所述两个力，可根据长度、尺寸以及组成来对纳米线进行分类。其自身上的梯度力也可被用于分类，在这种情况下，仅力的差异被用于沿不同方向引导线。
[0011]具有带pn结的纳米线和/或用(一个或多个)预定波长的光照射所述纳米线可以有助于排列所述纳米线和/或实现纳米线的一个或多个子群体的选择性排列。
[0012]所述方法可在连续的制程中执行，诸如卷对卷制程，其中沿所述衬底以预定构造重复提供和沉积所述纳米线的群体。
[0013]由于本发明，以成本高效的方式生产包括排列好的纳米线的纳米线器件而不受外延方法的局限性限制是有可能的。
[0014]本发明的一个优点在于可以独立于纳米线在衬底上的沉积来生产纳米线。因而可以使用连续的制程。这简化了纳米线器件的制备并且提高了良率。
[0015]采用这里所描述的方法沉积的纳米线可竖直排列，仅偏离法线小的角度，或者具有大的角度扩散。在后者的情况下，关键在于所述线具有清晰的优先方向，使得大部分线具有朝向所述衬底的相同端部。在前者的情况下，竖直排列可能更重要，而向上/向下定向可能不那么重要。
[0016]在从属权利要求中限定了本发明的各实施例。当结合附图和权利要求考虑时，本发明的其他目的、优点和新颖性特征将从以下对本发明的详细说明中变得显而易见。
【附图说明】
[0017]现在将参考附图来描述本发明的优选实施例，其中图1示意性地示出了根据本发明的纳米线排列。
[0018]图2示意性地示出了在电场梯度中对线进行分类的概念。长且细的线比较短、较粗的线更强烈地朝向更高的电场被吸引。对于合适尺寸的带电荷的线，可使由电荷所引起的力与由梯度所引起的力抵消。
[0019]图3a示意性地示出了电场中的纳米线的尺寸和排列角度。
[0020]图3b示出了相对于电场定向为“向上”和“向下”的纳米线的概念。
[0021]图4针对具有两种不同尺寸但处于相同电场(1000 V/cm)的线比较由极化所引起的理论排列能量(绿色虚线)、光感生偶极子(红色实线)以及它们的总和(紫色点线)。较长的线(4b)的排列比较短的线(4a)的排列强，但是光感生偶极子太弱以至于并不重要。
[0022]图5针对具有相同尺寸但处于不同电场(分别为1000 V/cm和300 V/cm)的线比较了由极化所引起的理论排列能量(绿色虚线)、光感生偶极子(红色实线)以及它们的总和(紫色点线)。较高的场(5a，与4b相同)中的排列比较低的场(5b)中的排列强，但在后者的情况下，光感生偶极子足够强以主导排列并且提供优先方向。
[0023]图6示出了与4a中相同的线在变化的电场中用于“向上”(红色实线)和“向下”(绿色虚线)方向的排列能量。存在大范围的场，其中“上”能量大于10 kT(即为了克服1 kT的布朗转动能量)，但其中“下”能量较低。对于非常细且长的线(未示出)，不存在其中方向性重要的区域。
[0024]图7示意性地示出了其中不同种类的线排列正在进行的状况。坐标轴不一定是线性的，并且各个状况之间的边界不应被视为如图所示那样的分明或者如图所示的那样造型简单。
[0025]图8示出了应用本发明的一些主要方式。自然地，可以许多方式和以不同顺序来重新设置各个部分，太复杂而不在这里示意。例如，线尺寸分类可与以不同波长的光照结合并且与竖直排列串联以根据尺寸和组成两者选择性地沉积线。
【具体实施方式】
[0026]本发明的方法包括提供纳米线以及在纳米线上施加电场的步骤，由此纳米线中的电偶极子和/或偶极矩使纳米线沿电场排列。
[0027]为了制备包括排列好的纳米线的结构，排列好的纳米线必须被固定在排列好的位置上。此外，纳米线优选地在一端或两端电连接和/或光连接。因此，排列好的纳米线优选地被沉积在衬底上。
[0028]可在施加电场之前使预制的纳米线分散在流体中，并且相应地，可在施加电场之前将包含纳米线的流体涂在衬底上。
[0029]如果没有另行明确说明，则为了示出本发明的原理，电场在下文中被定向为“朝上”，但并不限于此。
[0030]纳米线可在被提供用于排列之前预制。可使用前面所提及的方法之一来制作半导体纳米线，其中将纳米线外延生长在衬底上。生长之后，将纳米线从它们的衬底上移除并且优选使纳米线分散在流体(气体或液体)中。还可使用基于液体溶剂的化学或气相合成来制作纳米线，其中纳米线生长自晶种粒子。在这些制程中，纳米线可以分别保持在液体或气体的剩余物中，或者可以被转移至合适的流体，该流体也可以是液体或气体。
[0031]单极纳米线、具有轴向pn结的纳米线、具有径向pn结的纳米线、异质结构纳米线等可以被使用并且通常使用上文所提及的技术之一来制作。在单个制程中生长具有轴向pn结的纳米线，其中晶种粒子包含针对
再多了解一些
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。