《Nano Letters》报道电子学院余林蔚教授、徐骏教

通过人工组分调控和设计,实现异质锗硅超晶格结构是探索新一代光电器件应用的基础。而在准一维的纳米线沟道中,能同时叠加组分(Compositional)和形貌(Geometric)变化对能带的调控能力,有望建立更为高效的物性调控新技术和新思路。传统锗硅异质超晶格纳米线制备依赖于交替气氛供给的VLS生长模式,由于背景环境中的组分切换迟滞(reservoir)效应,难以获得非常“锐利”的组分调控。每个组分周期至少需要两次生长环境切变(switching)和清洗过程,故而生长制备成本高且非常缓慢。此外,竖直生长超晶格纳米线难以实现规模定位集成,这也为平面工艺应用带来巨大困难。

在异质衬底上外延生长晶硅薄膜层是高性能空间电子、面向移动通讯和微波电子器件的关键核心技术。同时,基于绝缘衬底上的高品质晶硅薄层(即silicon-on-insulator, SOI结构)可以大幅降低高速电子器件中电路与衬底之间的寄生电容,从而获得更高的操作速度和更低的功耗。另外,使用绝缘的衬底还能直接省略传统CMOS器件中的隔离区,从而大大提高器件的集成度。基于以上考虑,在R-plane蓝宝石衬底上生长晶硅外延层(即silicon-on-sapphire,SoS)技术,一直以来,在各种极端高性能条件下的电子器件以及高功率通讯领域具有非常重要的应用。然而,传统的SoS制备工艺需要高温(>900oC)的CVD淀积和退火再晶化工艺。由于晶硅和蓝宝石衬底之间具有较大的热膨胀系数适配(晶硅的仅为蓝宝石的二分之一),高温制备工艺后的冷却过程中会引入大量的晶格缺陷,从而严重地限制了SoS的大规模可靠制备。由于大多数SoS电子器件,以及基于SoS制备的近-中红外光波导等,最终需要的仅仅是准一维硅纳米沟道结构,所以从工艺流程的角度看,也需要研发一种一步到位的纳米线沟道直写技术,从而规避受应力和晶格适配限制制约的传统平面-刻蚀-纳米沟道SoS技术工艺挑战。

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组,首次提出并尝试了一种全新的思路:将锗硅纳米线组分调控的切换任务,交付给在平面上滚动前进的纳米金属液滴来完成。例如,利用低熔点金属铟作为催化颗粒,以非晶a-Si/a-Ge叠层作为前驱体,铟颗粒在平面运动中在前端吸收非晶层并在后端淀积出晶态的纳米线结构。当液滴运动速度足够高的时候,由于本身“滚动”导致的内部输运涡旋作用,可自发地调制对底层a-Si/a-Ge叠层的吸收深度,在平面“动态跳跃”过程中,实现周期性、形貌和组分同步调制的嵌套异质锗-硅超晶格岛链纳米线(Ge/Si hetero island-chain nanowires, hiNWs)结构。实验发现,其异质锗硅纳米线结构的组分、周期和直径等关键参数均可通过非晶叠层设计和液滴大小控制有效调节。其中Ge成分在Ge/Si异质界面上可在几个纳米内完成75%Ge的自发转变,不需要任何外界人工调控干预。同时,锗硅超晶格纳米线可以被精确定位在指定区域,为后续电学接触和器件探索带来巨大方便。此项研究为探索新型纳米液滴动态物性调控手段,实现高效光电功能结构和器件应用奠定了关键基础。

优信彩票购彩大厅,为了寻求新的突破思路解决以上限制SoS器件应用的关键问题,南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授、徐骏教授课题组,首次提出并展示了一种在R-plane蓝宝石衬底上直接低温异质外延生长自定向排列的晶硅纳米线技术。利用实验室自主创新的平面纳米线生长手段,仅需要在350oC左右的工艺温度条件下,就可以在蓝宝石衬底上实现晶硅纳米线的定向生长。还进一步研究了其中本征的晶格适配对纳米线生长方向,应力和晶格质量的影响,首次揭示了其中十分新颖的底面成核-侧向融合生长模式,并提出了一套较为完善的平面纳米线异质外延生长的动力学模型。最后,基于绝缘衬底上的异质外延纳米线沟道制备并验证了其在高迁移率SoS-FET器件。值得一提的是,此项异质外延晶硅纳米线沟道的技术突破不仅大大降低了SoS制备中的温度和工艺复杂程度,更预示着一种金属液滴辅助下可控自组织SoS纳米线直写技术的全新思路和方案。这为发展未来高性能、极端性能大规模通讯电子器件奠定了一个核心技术基础。

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图1. 动态跳跃液滴诱导生长异质锗-硅超晶格岛链纳米线结构。

本项研究成果论文,Heteroepitaxial Writing of Silicon-on-Sapphire Nanowires(异质外延SoS直写纳米线)发表在Nano Letters DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02004之上。论文的第一作者为博士生许明坤同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和徐骏教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的施毅教授、陈坤基教授以及法国巴黎综合理工/CNRS,LPICM实验室Pere Roca i Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到青年千人计划,国家基础研究973课题,国家自然科学基金,江苏杰出青年基金,江苏省自然科学基金,双创人才计划和江苏省333高层次人才培养工程项目的资助。

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