一种溶液-凝胶法生长SiO2薄膜钝化GaAs纳米阵列的方法及应用

本发明涉及半导体材料表面钝化，特别涉及一种溶液-凝胶法生长sio2薄膜钝化gaas纳米阵列的方法及应用。

背景技术：

1、iii-v族半导体材料凭借其卓越的电学和光学特性，在电子设备中发挥着关键且不可或缺的作用。其中，砷化镓(gaas)凭借其高电子迁移率、直接带隙、高电子迁移率、高能带隙等独特性能，被广泛应用于光电器件、集成电路、太阳能电池、导航和通信系统等各个领域。然而，gaas表面往往表现出高密度的非辐射复合中心，尤其是对纳米尺寸器件更需要进行表面钝化。

2、常用的gaas表面钝化方式包括使用含s和n的化学物质进行溶液钝化。其中，硫化已被证明通过形成s-端基键在去除半导体表面的本征氧化物和富含as元素方面非常有效。然而，当暴露在空气或水中时，这种终端仍不够稳定。因此，硫化之后通常通过沉积钝化薄膜来封装gaas表面。此外，在沉积过程中，将洁净的gaas表面暴露于热能和氧气等的等离子体中可能会破坏s-端基键，并再次对侧壁表面造成损害，对器件性能造成很大损伤。因此，如果没有适当封装的钝化薄膜，可能导致化学钝化稳定性急剧降低。

3、sio2溶液-凝胶法制备薄膜已被证明在纳米柱阵列的钝化中非常有效，然而由于现有技术中样品长时间经s化处理后长时间暴露在水溶液中且经过不断搅拌使得原本生成的s端键断裂，样品表面重新被氧化，态密度增加，钝化效果变差。因此，当样品暴露于空气或水时，这种终端更加不稳定。因此需要对这种传统的溶液-凝胶法进行进一步优化。

技术实现思路

1、为克服现有技术中sio2溶液-凝胶法所生长的薄膜在s溶液处理后会破坏原有表面，导致gaas钝化效果不佳的问题，本发明提出一种溶液-凝胶法生长sio2薄膜钝化gaas纳米阵列的方法。

2、具体而言，本发明提供如下技术方案：

3、一种溶液-凝胶法生长sio2薄膜钝化gaas纳米阵列的方法，包括：

4、步骤s1、将gaas纳米阵列浸没至hf溶液中一段时间；

5、步骤s2、将步骤s1处理后的gaas纳米阵列浸入到一定浓度(nh4)2s溶液中一段时间，然后取出并用气体吹干；

6、步骤s3、向步骤s2处理后的gaas纳米阵列加入一定浓度的(nh4)2s溶液及溶液-凝胶法生长sio2薄膜的原料，搅拌下反应一段时间后洗涤干净。

7、可选地，步骤s1中，hf溶液浓度为3-10wt％，优选5wt％；浸没时间为5-15s，优选10s。通过hf溶液能去除gaas纳米阵列表面的污渍，同时通过控制hf浓度与浸没时间，也能避免hf对gaas纳米阵列造成破坏。

8、可选地，步骤s2具体为：取出步骤s1得到的gaas纳米阵列，用去离子水洗涤，n2吹干后，浸入8-12wt％(nh4)2s溶液中5-15min，然后将gaas纳米阵列取出并用n2吹干；(nh4)2s溶液浓度优选为10wt％，浸入时间优选为10min。

9、可选地，步骤s3具体为：将无水乙醇和去离子水的混合溶液倒入放置有gaas纳米阵列的容器中，然后加入一定量ctab并搅拌一段时间，随后依次加入nh4oh、(nh4)2s溶液和teos，室温下搅拌一段时间后，用去离子水和无水乙醇洗涤干净。步骤s2中(nh4)2s作用为钝化剂，而在步骤s3中则用作提供s氛围，防止溶胶-凝胶反应过程破坏s端键，因此步骤s2中所用(nh4)2s浓度要低于步骤s3的浓度。通过步骤s3，能避免现有技术中将样品长时间s化处理后长时间暴露于水溶液中且由于不断搅拌导致的s端键断裂，使得钝化效果变差。

10、可选地，步骤s3中原料比例为：无水乙醇∶去离子水∶nh4oh∶(nh4)2s∶teos＝40-45∶55-60∶0.2-0.4∶0.2-0.4∶0.04-0.08，优选比例为42∶58∶0.3∶0.3∶0.3∶0.06，以上比例为体积比。ctab用量为原料总质量的0.1-0.3％。

11、可选地，nh4oh浓度为28-30wt％；(nh4)2s溶液为14wt％；步骤s3的反应条件为500rpm下搅拌1.5h。

12、进一步的，本发明还提供了一种sio2薄膜钝化的gaas纳米阵列。

13、进一步的，本发明还提供了sio2薄膜钝化的gaas纳米阵列在光电器件、集成电路、太阳能电池、导航和通信系统领域的应用。

14、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

15、本发明在s溶液钝化的基础上进一步在gaas纳米阵列表面生长sio2薄膜，有效去除表面氧化物并减少表面态；在sio2溶液-凝胶法生长过程中加入硫化铵溶液以维持稳定氛围，采用这种方法制备的sio2封装壳层，可以规避原有sio2溶液-凝胶法的弊端，保护表面原有的s端键，而且sio2的非晶化有利于缺陷的减少和悬空键的钝化。以溶液法生长替代干法镀膜，成本低，生长温度低，厚度均匀，pl提升效果明显。

技术特征：

1.一种溶液-凝胶法生长sio2薄膜钝化gaas纳米阵列的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，hf溶液浓度为3-10wt％，优选5wt％；浸没时间为5-15s，优选10s。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2具体为：取出步骤s1得到的gaas纳米阵列，用去离子水洗涤，n2吹干后，浸入8-12wt％(nh4)2s溶液中5-15min，然后将gaas纳米阵列取出并用n2吹干；(nh4)2s溶液浓度优选为10wt％，浸入时间优选为10min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3具体为：将无水乙醇和去离子水的混合溶液倒入放置有gaas纳米阵列的容器中，然后加入一定量ctab并搅拌一段时间，随后依次加入nh4oh、(nh4)2s溶液和teos，室温下搅拌一段时间后，用去离子水和无水乙醇洗涤干净。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中比例为：无水乙醇∶去离子水∶nh4oh∶(nh4)2s∶teos＝40-45∶55-60∶0.2-0.4∶0.2-0.4∶0.04-0.08，优选比例为42∶58∶0.3∶0.3∶0.3∶0.06；ctab用量为原料总质量的0.1-0.3％。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，nh4oh浓度为28-30wt％；(nh4)2s溶液为14wt％；步骤s3中在500rpm下搅拌1.5h。

7.一种权利要求1-6任一项所述方法制备得到的sio2薄膜钝化的gaas纳米阵列。

8.权利要求7所述的sio2薄膜钝化的gaas纳米阵列在光电器件、集成电路、太阳能电池、导航和通信系统领域的应用。

技术总结
本发明提供一种溶液‑凝胶法生长SiO<subgt;2</subgt;薄膜钝化GaAs纳米阵列的方法及应用，包括：步骤S1、将GaAs纳米阵列浸没至HF溶液中一段时间；步骤S2、将步骤S1处理后的GaAs纳米阵列浸入到一定浓度(NH<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;S溶液中一段时间，然后取出并用气体吹干；步骤S3、向步骤S2处理后的GaAs纳米阵列加入一定浓度的(NH<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;S溶液及溶液‑凝胶法生长SiO<subgt;2</subgt;薄膜的原料，搅拌下反应一段时间后洗涤干净。本发明的方法能保护表面原有的S端键，而且有利于缺陷的减少和悬空键的钝化。

技术研发人员：袁小明,申晶晶,李业军,何军
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22