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高質(zhì)量InAs(Sb)/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)垂直納米線陣列外延生長(zhǎng)研究獲進(jìn)展

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高質(zhì)量InAs(Sb)/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)垂直納米線陣列外延生長(zhǎng)研究獲進(jìn)展

摘要: 　　準(zhǔn)一維半導(dǎo)體納米線憑借其優(yōu)越、獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等特性，在材料、信息與通訊、能源、生物與醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是，基于半導(dǎo)體納米線的晶體管具有尺寸小、理論截止頻率高等優(yōu)點(diǎn)，為 ...

　　準(zhǔn)一維半導(dǎo)體納米線憑借其優(yōu)越、獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等特性，在材料、信息與通訊、能源、生物與醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是，基于半導(dǎo)體納米線的晶體管具有尺寸小、理論截止頻率高等優(yōu)點(diǎn)，為未來在微處理器芯片上實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路開拓了新的方向。在III-V族半導(dǎo)體材料中，InAs具有小的電子有效質(zhì)量、高的電子遷移率和較大的朗德g因子，是研制高性能場(chǎng)效應(yīng)電子器件以及量子器件的理想材料；而GaSb具有最高的空穴遷移率，是研制高速p型半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理想材料。此外，InAs、GaSb都有較窄的帶隙，且兩種材料之間具有II類能帶結(jié)構(gòu)和極小的晶格失配度(~0.6%)，將這兩種半導(dǎo)體材料相結(jié)合有可能制備出高質(zhì)量的核殼異質(zhì)結(jié)納米線，為許多新型高性能納米線器件的制備(如：亞閾值擺幅低于CMOS理論極限的低功耗隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和量子物理的學(xué)習(xí)提供平臺(tái)。特別是，為實(shí)現(xiàn)與當(dāng)代CMOS工藝相兼容，及真正實(shí)現(xiàn)納米線器件的集成化，基于Si基的高質(zhì)量InAs/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列的可控生長(zhǎng)將具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體學(xué)習(xí)所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)員楊濤課題組的博士學(xué)習(xí)生季祥海等利用MOCVD技術(shù)首次在圖形化的Si襯底上外延制備出高成線率、高質(zhì)量的InAs(Sb)/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列(圖1)。通常，沿著111方向自催化生長(zhǎng)的InAs納米線含有大量的層錯(cuò)缺陷（因?yàn)殚W鋅礦和纖鋅礦的晶格結(jié)構(gòu)在111方向上的生長(zhǎng)能極其接近），尤其是對(duì)于核殼結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，這些缺陷將進(jìn)一步延伸到殼層中，這將大大降低材料的電學(xué)和光學(xué)性能。為了克服這一材料制備技術(shù)上的難點(diǎn)，他們深入詳細(xì)地學(xué)習(xí)了銻(Sb)對(duì)InAs核納米線外延生長(zhǎng)的影響，并發(fā)現(xiàn)引入少量Sb可極大地改善InAs核納米線的晶格質(zhì)量，特別是當(dāng)Sb組分達(dá)到9.4%時(shí)，納米線將變?yōu)榧兿嗟拈W鋅礦結(jié)構(gòu)(圖2)，從而獲得高質(zhì)量的InAsSb/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列。進(jìn)一步，電學(xué)測(cè)試表明InAsSb核和GaSb殼分別具有優(yōu)異的n型和p型導(dǎo)電性能，并且可以通過GaSb殼層厚度和背部柵壓的改變對(duì)納米線的導(dǎo)電類型進(jìn)行有效調(diào)控。圖3給出基于不同GaSb殼層厚度的納米線器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，測(cè)試結(jié)果表明InAsSb核為n型導(dǎo)電；而對(duì)于有6nm厚GaSb殼層的InAsSb/GaSb異質(zhì)結(jié)納米線，由于InAsSb核和GaSb殼層可分別提供電子和空穴的導(dǎo)電溝道，其轉(zhuǎn)移特性曲線呈現(xiàn)出明顯的雙極性導(dǎo)電特性；對(duì)于有13nm GaSb殼的納米線，由于GaSb層較厚，所加的背部柵壓難以對(duì)InAsSb核內(nèi)的電子密度進(jìn)行有效的調(diào)控，其轉(zhuǎn)移曲線僅表現(xiàn)出p型導(dǎo)電特性。
　　相關(guān)成果近期發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主辦的納米快報(bào)（Nano Letters）上。該學(xué)習(xí)成果為下一步基于InAs(Sb)/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列的高性能器件的制備打下了重要基礎(chǔ)。
　　該工作得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
　　文章鏈接

　　圖1. (a) InAs、(b) InAs/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)納米線陣列SEM形貌圖和(c)直徑統(tǒng)計(jì)。

　　圖2. 不同Sb組分對(duì)InAs(Sb)納米線晶格質(zhì)量的影響。

　　圖3. (a) 單根納米線背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管示意圖；(b-d) InAsSb核和GaSb殼厚分別為~6nm和~13nm的核殼異質(zhì)結(jié)納米線FET的轉(zhuǎn)移特性曲線。
　　來源:半導(dǎo)體學(xué)習(xí)所　　編輯:葉瑞優(yōu)高質(zhì)量InAs(Sb)/GaSb核殼異質(zhì)結(jié)垂直納米線陣列外延生長(zhǎng)研究獲進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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