www.9195.com半导体所等成功制备立式InSb二维单晶纳米片,美国伦斯勒理工学院首次在云母基片上实现无应力锗薄膜外延

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[www.9195.com,据物理学组织网站2017年11月17日报道] 锗,是一种常见的元素半导体材料,是早期各种电子器件的主要选材,但之后几乎全部被硅所替代。锗拥有比硅高三倍的电荷载流子迁移率,因此,近些年,其在电子器件中的应用又重新多了起来。

近日,中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员赵建华团队与合作者北京大学教授徐洪起等在《纳米快报》(Nano Letters)上发表了高质量立式InSb二维单晶纳米片的研究成果。

由于锗只能在昂贵的单晶衬底上进行生长,这给锗的大规模应用带来了新的挑战。为解决这一问题,美国伦斯勒理工学院的研究人员开发出一种全新的范德华外延法,首次实现了在云母基片上的锗外延,有望应用于先进集成电路和高效太阳电池的制造。伦斯勒理工学院研究团队是全球首个在云母基片上实现元素半导体材料无应力范德华外延的研究团队。他们的研究成果已经在近期的《应用物理学杂志》发表。

在III-V族半导体中,InSb化合物具有最窄禁带宽度、最高电子迁移率、最小有效质量和最大g 因子,是制备高速低功耗电子器件、红外光电子器件及进行自旋电子学研究与拓扑量子计算等前沿物理探索的理想材料。由于InSb具有晶格常数大以及固有的n型导电性特征,难以找到合适衬底外延生长,通常人们采用缓冲层技术。然而,晶格失配引起的位错缺陷会沿着缓冲层向上延伸,甚至延伸至缓冲层表面,使得缓冲层表面不能形成完美的晶格结构,从而影响外延的InSb薄膜晶体质量。半个多世纪以来,高质量InSb材料制备一直是困扰科学家们的难题。

外延是一种常见的半导体制造工艺,用来实现在晶体衬底上生长结晶薄膜层。如果所要生长的薄膜材料与衬底材料相同,生长出的薄膜层与衬底晶格完全匹配,可形成较强的化学键,实现最优的电荷载流子迁移率。如果所要生长的薄膜材料与衬底材料不同,想要实现有效的外延生长就会变得十分困难,因为衬底和外延层的晶格不匹配。为了避免这一问题,研究人员采用范德华外延法。该方法基于由电子的概率论性质所决定的范德华现象。电子的概率论性质是指原子核周围的电子的分布是不固定的,电子不均匀地分布在原子核周围空间的任何位置。当范德华力产生后,会诱导产生一端带正电荷、另一端带负电荷的偶极子,而在原子核之间形成微弱的相互吸引作用。

赵建华团队的潘东等研究人员利用分子束外延技术,首先在Si衬底上生长出高质量纯相InAs纳米线,然后通过控制生长温度和束流比,创造性地在一维InAs纳米线上生长出了二维高质量InSb纳米片。这种免缓冲层技术制备出来的立式InSb纳米片为纯闪锌矿单晶,结构中观察不到层错及孪晶等缺陷。其长度和宽度达到微米量级、厚度可薄至10纳米。徐洪起等将这种高质量的二维InSb纳米片制成了场效应器件,器件具有明显的双极性特征,低温下场效应迁移率近20000 cm2 V-1 s-1。

研究人员选择云母作为锗外延薄膜生长的衬底,原因是云母具有原子级的光滑表面,不会产生悬挂键。这就保证了在进行范德华外延的过程中不会生成化学键。锗外延层与云母衬底在二者界面处只通过微弱的范德华力相连接。这样,尽管锗与云母具有截然不同的晶体结构,也可以形成驰豫的稳定的外延薄膜。除了使晶格不匹配得到缓解之外,范德华外延法还更容易实现锗外延薄膜从云母表面的机械剥离。研究人员使用厚度为0.26毫米的云母衬底,生长出的锗外延层厚度仅为80纳米,通过改变沉积和退火过程中的衬底温度,他们发现外延层的晶格在425摄氏度时仍然能够稳定存在。而在此之前的所有研究都表面,在任何升温过程中都无法通过范德华外延法在云母基片上实现元素半导体材料的稳定外延。显然,伦斯勒理工学院的研究成果成功驳斥了之前的研究结论。

该项工作得到了科技部和国家自然科学基金委的经费支持。

研究人员指出,他们用范德华外延法得到的锗纳米薄膜比纳米晶体或纳米线更容易集成于电子器件之中。此外,还可以作为其他材料沉积工艺的衬底,应用于柔性晶体管、太阳电池、可穿戴光电子设备等的制造过程中。利用范德华外延法在实际温度条件下成功实现云母基片上的锗外延薄膜生长,给了研究人员莫大的激励。下一步,他们还将继续研究,以达到用范德华外延法在云母基片上实现除锗以外的其他元素半导体材料或合金材料外延生长的目的。

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