[發明專利]一種基于異質疊層非晶薄膜的平面鍺硅及相關納米線生長方法

在審

• 申請號: 201810019535.1
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108231542A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 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: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

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，1)在單晶硅襯底上，蒸鍍設有圖案的In、Sn、Ga金屬或其組合合金，2)襯底放置PECVD系統，使用氫氣等離子體處理樣品，使得金屬層轉變催化液滴；氫氣等離子體處理樣品1?10分鐘后，呈現出正態分布的催化金屬液滴；4)在PECVD系統中，首先沉積一層第一種的半導體材料，然后至少再沉積一層第二種的半導體材料，形成異質疊層非晶層供給層用做前驅體介質層；5)在真空中或者還原性、惰性氣氛中退火，使得催化金屬顆粒激活后開始吸收異質疊層非晶層材料，并交替析出第一半導體與第二半導體富集島的納米線；為高性能場效應晶體管、異質結雙極性晶體管提供關鍵基礎技術。

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。尤其是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。

二、背景技術

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?？煽囟ㄎ患杉夹g一直難以突破。這也就大大限制了VLS納米線的規?；骷?、與功能化應用。

與VLS相比，IP-SLS是Bottom-up方式中構筑納米線的相對較新的一種生長機制?；诖思夹g，半導體納米線可以平面生長，并實現任意生長路徑的精確引導，從而能夠更好地應用于平面器件制備和集成。IP-SLS制備過程一般使用低熔點金屬作為催化劑，在非晶態與晶態(前者為高能態前驅體)的吉布斯自由能驅動下，催化液滴吸收非晶硅、非晶鍺、非晶硅鍺等非晶薄膜，并在后沉積界面形成硅、鍺、硅鍺等半導體平面納米線。IPSLS納米線的生長過程中，前驅體層和催化劑顆粒(Catalyst)的作用最為核心。其中，催化劑液滴的直徑決定著納米線的直徑，可以通過催化劑液滴實現10～1000nm直徑范圍內的納米線調控生長。