平面硅纳米线自定位生长及同质、异质外延调控

发布时间：2018-10-12 12:04

【摘要】：一维半导体硅纳米线具有独特的能带结构和光电响应特性,有望成为构建新一代微纳电子和光电器件的核心构件,在硅基逻辑、存储、光电转换和化学生物传感等领域具有十分重要的应用前景,并受到了广泛而深入的研究关注。相比于“自上而下”的光刻工艺,基于金属In、Sn、Au颗粒催化诱导的“自下而上”自组装生长,可以方便地制备形貌、尺寸和化学组分可控的各类纳米线结构。然而,通常采用的自组装硅纳米线生长大多垂直于衬底表面,为了实现在平面框架中的器件应用和集成,需要把竖直纳米线转移到目标衬底之上。这种“竖直纳米线生长”和“平面器件工艺”之间的矛盾在很大程度上限制了基于硅纳米线的大规模器件集成和应用。因此,近年来,围绕着如何在平面衬底上直接生长“面内’'(in-plane)纳米线,以及如何实现平面纳米线阵列的精确定位和集成,国内外课题组进行了大量的研究探索。到目前为止,除了利用昂贵的电子束光刻技术以及溶液环境中的多步转移技术,还没有建立起一种能基于传统大面积硅基薄膜工艺实现的平面纳米线生长、调控和自定位集成技术。本论文根据这一技术挑战和实际应用需求,提出并发展了一种全新的平面固-液-固(in-plane solid-liquid-solid, IPSLS)纳米线生长技术。结合纳米线台阶引导和外延定向生长技术实现了平面硅纳米线的规模阵列生长和定位。在深入研究台阶引导生长和外延引导机理的基础上,建立较为完善的引导硅纳米线动态生长模型。随后,基于自定位纳米线阵列,实现了高迁移率的硅纳米线晶体管器件结构,并对其电学性质进了初步测试研究。具体而言,本论文的主要创新点如下：1、利用不同的引导台阶图案,首次实现了对平面硅纳米线图案的精确调控,并成功获得了高达98%以上的纳米线定位生长引导率,制备了大面积尺寸均匀的平面硅纳米线阵列。基于一系列生长调控,建立了较为完善的台阶引导生长模型,并提出了最优化的台阶引导实验设计和实施方案。2、在硅衬底上实现了平面硅纳米线的同质外延生长。在Si(100)衬底上实现了平面硅纳米线的外延生长。在外延界面的引导下,实现了外延硅纳米线沿Si[0-11]和Si[01-1]两个相互垂直方向的自定向生长。通过截面TEM证实了纳米线和衬底之间具有外延界面,并根据实验结果建立了同质外延生长模型。3、在蓝宝石R(1-102)面上实现了平面硅纳米线的异质外延生长。实验结果表明,大多数外延平面硅纳米线的生长方向是沿着蓝宝石衬底的[11-20]和[-1101]这一组相互垂直的方向生长并且可以在两个方向之间相互转换。另外一部分平面硅纳米线的外延生长方向是沿着蓝宝石衬底的[2-201]和[0-22-1]两组近似相互垂直的方向。综合平面硅纳米线的SEM形貌、AFM截面轮廓形貌和截面TEM等实验结果建立了平面硅纳米线异质外延生长的模型。4、在可控生长平面硅纳米线阵列的基础上,设计并制备了硅纳米线场效应晶体管器件。通过氧化钝化优化了硅纳米线表面结构。分别研究了底栅和顶栅结构下器件的转移特性,顶栅结构的平面硅纳米线场效应管特性,在低温(350℃)大面积硅基薄膜工艺基础上,实现了较高的电流开关比～106,高迁移率200cm2/Vs。为大规模高性能薄膜电子器件奠定了关键的新型纳米线阵列制备技术。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TN304.054;TN386

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本文编号：2266041