高密度锗纳米线的制备方法

摘要

本发明提供一种高密度锗纳米线的制备方法，包括如下步骤：1)提供一锗衬底，锗衬底包括相对的第一表面及第二表面；2)于锗衬底的第一表面生长石墨烯；3)于锗衬底的第一表面形成铟催化剂层，且铟催化剂层至少覆盖石墨烯；4)于铟催化剂层远离锗衬底的表面生长锗纳米线。本发明无需采用电子束蒸发的方式沉积金属，大大简化了锗纳米线制备的工艺流程，并降低成本，非常适合于大规模低成本的锗纳米线的制备；本发明采用铟作为催化剂生长的锗纳米线具有较高的长宽比，同时具有较高的表面密度，这些特点使得该方法更便于锗纳米线的转移与应用，从而为基于四族纳米线的器件制备奠定工艺基础；同时，本发明制备的锗纳米线具有很好的稳定性和重复性。

权利要求

1.一种高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，所述高密度锗纳米线的制备方法包括如下步骤：

1)提供一锗衬底，所述锗衬底包括相对的第一表面及第二表面；

2)于所述锗衬底的第一表面生长石墨烯；

3)于所述锗衬底的第一表面形成铟催化剂层，且所述铟催化剂层至少覆盖所述石墨烯，形成所述铟催化剂层的步骤包括：3-1)将第一表面生长有所述石墨烯的所述锗衬底置于一热板上，且所述锗衬底的第二表面与所述热板相接触，所述热板的温度为200℃～300℃；3-2)将铟均匀涂抹于所述锗衬底的第一表面以形成所述铟催化剂层；3-3)将步骤3-2)所得结构冷却至室温；

4)采用分子束外延工艺于所述铟催化剂层远离所述锗衬底的表面生长锗纳米线。

2.根据权利要求1所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用化学气相沉积工艺于所述锗衬底的第一表面生长所述石墨烯。

3.根据权利要求1所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤3)与步骤4)之间还包括如下步骤：将步骤3)所得结构置于预处理腔内进行预处理。

4.根据权利要求3所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，对步骤3)所得结构进行预处理的过程中，所述预处理腔内的真空度低于1.0E-7Torr，预处理温度为100℃～

300℃，预处理时间为0.5小时～1.5小时。

5.根据权利要求1所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤4)包括如下步骤：

4-1)将步骤3)所得结构置于一锗源炉内，所述锗源炉的束流为0.01nm/s～0.015nm/s；

4-2)于预设气压下将所述锗源炉内温度升至生长温度；

4-3)打开锗源阀门进行锗纳米线生长；

4-4)将步骤4-3)所得结构冷却至预设温度并取出。

6.根据权利要求5所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤4-2)中，所述预设气压小于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率为18℃/分钟～22℃/分钟。

7.根据权利要求5所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤4-2)中，所述预设气压大于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率为8℃/分钟～16℃/分钟。

8.根据权利要求5所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤4-3)中，所述锗纳米线的生长温度为550℃～600℃，生长时间为8000s～10000s。

9.根据权利要求5所述的高密度锗纳米线的制备方法，其特征在于，步骤4-4)中，冷却速率为25℃/分钟～35℃/分钟，所述预设温度为100℃～200℃。

说明书

高密度锗纳米线的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种高密度锗纳米线的制备方法。

背景技术

[0002] 与体材料相比，纳米线作为准一维纳米机构，具有超高的比表面积和载流子限制作用，在传感与催化、高迁移率器件等领域有着很大的应用价值和潜力。Ge纳米线作为典型的四族纳米材料，相比三五族纳米线有着更好的硅基兼容性，更加便于未来高密度的硅基集成。但是传统的利用Au(金)液滴催化生长Ge纳米线的方法制备的Ge纳米线密度和产率都很低，同时纳米线的长宽比较小，顶部残留的金液滴还会带来金属污染，需要额外的步骤将金液滴去除，这些缺陷大大阻碍了Ge纳米线的器件应用。此外，这种金催化的方法还需利用电子束蒸发的方式沉积贵重的金属Au并退火，工艺步骤繁琐且成本较高。因此有必要提出一种新的Ge纳米线的制备方法。

发明内容

[0003] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高密度锗纳米线的制备方法用于解决现有技术中采用金液滴催化生长锗纳米线存在的工艺步骤繁琐、成本高的问题，以及生长的纳米线密度低、长宽比小及产率低的问题。

[0004] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高密度锗纳米线的制备方法，所述高密度锗纳米线的制备方法包括如下步骤：

[0005] 1)提供一锗衬底，所述锗衬底包括相对的第一表面及第二表面；

[0006] 2)于所述锗衬底的第一表面生长石墨烯；

[0007] 3)于所述锗衬底的第一表面形成铟催化剂层，且所述铟催化剂层至少覆盖所述石墨烯；

[0008] 4)于所述铟催化剂层远离所述锗衬底的表面生长锗纳米线。

[0009] 可选地，步骤2)中，采用化学气相沉积工艺于所述锗衬底的第一表面生长所述石墨烯。

[0010] 可选地，步骤3)包括如下步骤：

[0011] 3-1)将第一表面生长有所述石墨烯的所述锗衬底置于一热板上，且所述锗衬底的第二表面与所述热板相接触，所述热板的温度为200℃～300℃；

[0012] 3-2)将铟均匀涂抹于所述锗衬底的第一表面以形成所述铟催化剂层；

[0013] 3-3)将步骤3-2)所得结构冷却至室温。

[0014] 可选地，步骤3)与步骤4)之间还包括如下步骤：将步骤3)所得结构置于预处理腔内进行预处理。

[0015] 可选地，对步骤3)所得结构进行预处理的过程中，所述预处理腔内的真空度低于1.0E-7Torr，预处理温度为100℃～300℃，预处理时间为0.5小时～1.5小时。

[0016] 可选地，步骤4)中，于所述铟催化剂层远离所述锗衬底的表面生长锗纳米线的工艺包括分子束外延工艺。

[0017] 可选地，步骤4)包括如下步骤：

[0018] 4-1)将步骤3)所得结构置于一锗源炉内，所述锗源炉的束流为0.01nm/s～0.015nm/s；

[0019] 4-2)于预设气压下将所述锗源炉内温度升至生长温度；

[0020] 4-3)打开锗源阀门进行锗纳米线生长；

[0021] 4-4)将步骤4-3)所得结构冷却至预设温度并取出。

[0022] 可选地，步骤4-2)中，所述预设气压小于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率为18℃/分钟～22℃/分钟。

[0023] 可选地，步骤4-2)中，所述预设气压大于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率为8℃/分钟～16℃/分钟。

[0024] 可选地，步骤4-3)中，所述锗纳米线的生长温度为550℃～600℃，生长时间为8000s～10000s。

[0025] 可选地，步骤4-4)中，冷却速率为25℃/分钟～35℃/分钟，所述预设温度为100℃～200℃。

[0026] 如上所述，本发明的一种高密度锗纳米线的制备方法，具有以下有益效果：

[0027] 本发明采用铟作为生长锗纳米线的催化剂，无需采用电子束蒸发的方式沉积金属，大大简化了锗纳米线制备的工艺流程，并降低成本，非常适合于大规模低成本的锗纳米线的制备；本发明采用铟作为催化剂生长的锗纳米线具有较高的长宽比，同时具有较高的表面密度，这些特点使得该方法更便于锗纳米线的转移与应用，从而为基于四族纳米线的器件制备奠定工艺基础；同时，本发明制备的锗纳米线具有很好的稳定性和重复性。

附图说明

[0028] 图1显示为本发明提供的高密度锗纳米线的制备方法的流程图。

[0029] 图2显示为本发明提供的高密度锗纳米线的制备方法步骤1)所得结构的立体结构示意图。

[0030] 图3显示为本发明提供的高密度锗纳米线的制备方法步骤2)所得结构的立体结构示意图。

[0031] 图4显示为本发明提供的高密度锗纳米线的制备方法步骤3)所得结构的立体结构示意图。

[0032] 图5显示为本发明提供的高密度锗纳米线的制备方法步骤4)所得结构的立体结构示意图。

[0033] 元件标号说明

[0034] 10         锗基底

[0035] 11         石墨烯

[0036] 12         铟催化剂层

[0037] 13         锗纳米线

[0038] S1～S4     步骤

具体实施方式

[0039] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0040] 请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

[0041] 请参阅图1，本发明提供一种高密度锗纳米线的制备方法，所述高密度锗纳米线的制备方法包括如下步骤：

[0042] 1)提供一锗衬底，所述锗衬底包括相对的第一表面及第二表面；

[0043] 2)于所述锗衬底的第一表面生长石墨烯；

[0044] 3)于所述锗衬底的第一表面形成铟催化剂层，且所述铟催化剂层至少覆盖所述石墨烯；

[0045] 4)于所述铟催化剂层远离所述锗衬底的表面生长锗纳米线。

[0046] 本发明采用铟作为生长所述锗纳米线13的催化剂，无需采用电子束蒸发的方式沉积金属，大大简化了所述锗纳米线13制备的工艺流程，并降低成本，非常适合于大规模低成本的所述锗纳米线13的制备；本发明采用铟作为催化剂生长的所述锗纳米线13具有较高的长宽比，同时具有较高的表面密度，这些特点使得该方法更便于所述锗纳米线13的转移与应用，从而为基于四族纳米线的器件制备奠定工艺基础；同时，本发明制备的所述锗纳米线13具有很好的稳定性和重复性。

[0047] 在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供一锗衬底10，所述锗衬底10包括相对的第一表面及第二表面。

[0048] 作为示例，所述锗(Ge)基底10可以为锗晶圆；所述锗晶圆的尺寸可以根据实际需要进行设定，优选地，所述锗晶圆可以为但不仅限于四英寸的锗晶圆。

[0049] 在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，于所述锗衬底10的第一表面生长石墨烯11。

[0050] 作为示例，可以采用但不仅限于化学气相沉积(CVD)工艺于所述基底10的上表面生长所述石墨烯11。

[0051] 作为示例，所述石墨烯11可以包括单原子层石墨烯层。当然，在其他示例中，所述石墨烯11也可以为多原子层石墨烯。

[0052] 在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，于所述锗衬底10的第一表面形成铟(In)催化剂层12，且所述铟催化剂层12至少覆盖所述石墨烯11。

[0053] 作为示例，于所述锗衬底10的第一表面形成铟催化剂层12包括如下步骤：

[0054] 3-1)将第一表面生长有所述石墨烯11的所述锗衬底10置于一热板(未示出)上，且所述锗衬底10的第二表面与所述热板相接触，即所述锗衬底10生长有所述石墨烯11的表面背离所述热板，所述热板的温度可以为200℃～300℃；

[0055] 3-2)将铟均匀涂抹于所述锗衬底10的第一表面以形成所述铟催化剂层12；具体的，可以在所述热板的温度稳定后，切取一块高纯铟(纯度至少达到99.995％)块置于所述锗衬底10的第一表面，并用平头镊子等将融化后的铟均匀涂抹于所述锗衬底10的第一表面；涂抹完毕后，关闭所述热板；

[0056] 3-3)将步骤3-2)所得结构冷却至室温；具体的，可以使用以氮气枪吹扫所述锗衬底10的第二表面，以使得步骤3)所得结构冷却至室温，冷却至室温后，融化的铟凝固成固态以形成所述铟催化剂层12。

[0057] 作为示例，步骤3)之后，执行步骤)之前还包括如下步骤：将步骤3)所得结构置于预处理腔内进行预处理。预处理过程中以实现对步骤3)所得结构进行除气及对步骤3)所得结构进行清洁。

[0058] 作为示例，将步骤3)所得结构置于预处理腔内进行预处理包括如下步骤：首先，将步骤3)所得结构首先放置于分子束外延样品架的样品托上，所述样品托的尺寸与所述锗衬底10的尺寸相匹配(譬如，所述锗衬底10为四英寸衬底时，所述样品托为四英寸的样品托)；其次，再将放置有所述结构的所述样品托置于所述预处理腔室内开始抽真空，待所述处理腔室内的真空度低于1.0E-7Torr(即10-7Torr)后开启加热开关，使得步骤3)所得结构在预处理腔室内进行预处理。在对步骤3)所得结构进行预处理的过程中，预处理温度为100℃～
300℃，预处理时间为0.5小时～1.5小时；优选地，所述预处理温度可以为200℃，所述预处理时间可以为1小时。

[0059] 需要说明的是，图4中所述铟催化剂层12完全覆盖所述石墨烯11及所述锗衬底10的第一表面，所述石墨烯11及所述锗衬底10的第一表面由于被所述铟催化剂12覆盖而并未示意出。

[0060] 在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5，于所述铟催化剂层12远离所述锗衬底10的表面生长锗纳米线13。

[0061] 作为示例，可以采用分子束外延工艺于所述铟催化剂层12远离所述锗衬底10的表面生长所述锗纳米线13。

[0062] 作为示例，于所述铟催化剂层12远离所述锗衬底10的表面生长锗纳米线13包括如下步骤：

[0063] 4-1)将步骤3)所得结构置于一锗源炉(未示出)内，所述锗源炉的束流为0.01nm/s～0.015nm/s，优选地，本实施例中，所述锗源炉的速率为0.012nm/s；

[0064] 4-2)于预设气压下将所述锗源炉内温度升至生长温度；

[0065] 4-3)打开锗源阀门(未示出)进行所述锗纳米线13生长；

[0066] 4-4)将步骤4-3)所得结构冷却至预设温度并取出。

[0067] 在一示例中，步骤4-2)中，所述预设气压小于5E-9(5×10-9)Torr，所述锗源炉内的升温速率为18℃/分钟～22℃/分钟；优选地，本实施例中，所述预设气压小于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率可以为20℃/分钟。

[0068] 在另一示例中，步骤4-2)中，所述预设气压大于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率为8℃/分钟～16℃/分钟；优选地，本实施例中，所述预设气压大于5E-9Torr，所述锗源炉内的升温速率可以为10℃/分钟或15℃/分钟。

[0069] 作为示例，步骤4-3)中，所述锗纳米线13的生长温度为550℃～600℃，生长时间为8000s(秒)～10000s；优选地，本实施例中，所述锗纳米线13的生长温度可以为570℃，生长时间可以为9000s。

[0070] 作为示例，步骤4-4)中，冷却速率为25℃/分钟～35℃/分钟，所述预设温度为100℃～200℃；优选地，本实施例中，所述冷却速率可以为30℃/分钟，所述预设温度为150℃。

[0071] 作为示例，将步骤4-3)所得结构冷却至所述预设温度后，可以使用机械手臂将最终得到的结构传出所述锗源炉。

[0072] 综上所述，本发明高密度锗纳米线的制备方法，所述高密度锗纳米线的制备方法包括如下步骤：1)提供一锗衬底，所述锗衬底包括相对的第一表面及第二表面；2)于所述锗衬底的第一表面生长石墨烯；3)于所述锗衬底的第一表面形成铟催化剂层，且所述铟催化剂层至少覆盖所述石墨烯；4)于所述铟催化剂层远离所述锗衬底的表面生长锗纳米线。本发明采用铟作为生长锗纳米线的催化剂，无需采用电子束蒸发的方式沉积金属，大大简化了锗纳米线制备的工艺流程，并降低成本，非常适合于大规模低成本的锗纳米线的制备；本发明采用铟作为催化剂生长的锗纳米线具有较高的长宽比，同时具有较高的表面密度，这些特点使得该方法更便于锗纳米线的转移与应用，从而为基于四族纳米线的器件制备奠定工艺基础；同时，本发明制备的锗纳米线具有很好的稳定性和重复性。

[0073] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。