[發明專利]一種基于異質疊層非晶薄膜供給的平面鍺硅及相關納米線生長形貌和組分調控的方法

有效

• 申請號: 201710653561.5
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107640741B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 余林蔚;趙耀龍;王軍轉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 陳建和<國際申請>=<國際公布>=<進入

一種利用疊層非晶前驅體層制備異質或合金半導體納米線的方法，以硅鍺體系為例，通過非晶硅(a?Si)/非晶鍺(a?Ge)疊層薄膜作為前驅體，制備出自發相分離的硅鍺島鏈納米線結構，采用疊層非晶薄膜作為前驅體層，通過金屬液滴的吸收和平面納米線生長過程，實現自發相分離的平面硅鍺納米線，其形貌可通過疊層的厚度以及疊加次序加以控制，調控為硅鍺島鏈結構；其中，當非晶鍺層處于底部即a?Si/a?Ge結構時，硅鍺納米線中較寬的島區為鍺高濃度區域，而較細的納米線連接為硅高濃度區域；或通過相反的疊加次序實現直徑較為均勻的硅鍺合金納米線結構，或者其中包涵微區間隔的“硅?鍺”交替區域結構。

一、技術領域

本發明涉及半導體納米線/溝道結構的微納制備和組分調控的關鍵技術。強調采用復合疊層非晶疊層作為前驅體供給層，在平面襯底上直接生長鍺硅合金以及異質自嵌套納米線結構，自發實現島鏈形貌調控和硅鍺島鏈相分離等核心調控手段。在硅鍺材料體系中，加入鍺組分可以提高晶硅溝道的空穴遷移率，從而大幅改善器件性能。此技術在光電探測、熱電轉換、高性能平面顯示薄膜晶體管、單電子器件、低維光子晶體等應用領域有廣泛且重要的應用前景。

二、技術背景

硅基材料一直是科研界與產業界研究的重點，同當下微電子產業的每一次進步緊密相連，并主要利用光刻加工、ICP刻蝕、離子摻雜等技術手段，通過逐步將體材料縮小的方式，構筑功能化器件。但是隨著硅工藝的長期發展與逐步完善，通過逐步降低材料尺度的方式已經越來越難以滿足人們對性能的要求，并且單一的硅材料嚴格的限制著器件的多樣性與多領域應用，于是硅鍺材料應運而生，為半導體行業的發展提供了新的平臺，衍生出了新的功能器件。硅鍺半導體材料與傳統的硅工藝完全兼容，并且鍺空穴遷移率1900cm²/Vs是硅四倍，電子遷移率是3900cm²/Vs是硅的三倍，禁帶寬度0.66eV比硅材料有著更窄的帶隙。與硅材料相比，硅鍺材料結合了硅、鍺各自的優勢，硅鍺納米線由于其獨特的光學、熱學及力學、電學性質在光電探測、熱電器件、TFT、柔性材料、生物醫學等領域有廣闊的應用前景。并且由于鍺硅材料的性質跟鍺的含量密切相關，所以可以通過單純的改變鍺的含量實現能帶的剪輯、遷移率的調控，壓阻效應的改善，進而更好的運用于高性能TFT、光電探測、智能皮膚、熱電功能器件，是最有望解決是片上光互聯技術的核心材料。

納米材料在器件性能方面比體材料有著明顯的優勢，制備納米器件產業界多采用Top-down(自上而下)的制作思路獲得高可控、高保行的器件。相應的，科研界多采用Bottom-up(自下而上)構筑方式。產業界通過Top-down構筑高性能器件的方式以大規模集成電路的制造最為典型，優點是穩定可靠、易于設計、便于產業化，但是工藝過于復雜、制造門檻太高、器件成本太高。與之相對應的，科研界多采用Bottom-up的構筑方式，輔助使用Top-down的工藝流程構筑納米材料、納米器件，把具有特定物理化學性質的功能材料，按照相應的力熱光電聲之間的相互關系與相互作用進行組合，可控制備量子點、納米線、薄膜、三維材料，并進一步功能化，獲得具備特殊功能的微納結構與功能化器件。

通過Bottom-up方式制備晶體納米線的生長機制通常包括VLS(氣-液-固)、LLS(液-液-固)、IP-SLS(平面固-液-固)。其中目前最廣泛使用，也最具代表性的納米線制備和生長方法是VLS生長模式，但是由于VLS納米線通常采用氣態前驅體供給，所生長的納米線多為豎直陣列結構，應用范圍大大受限，通常需要將豎直VLS納米線收集、轉移、定位到平面襯底之上，進一步功能化并構筑成為器件。而這些微納操作成本高昂和標準硅工藝兼容程度不高，尤其是納米線的大規模可控定位集成技術一直難以突破。這也就大大限制了VLS納米線的規模化器件集成、與功能化應用。