CMOS兼容的高性能p型GaSb纳米线

近年来，硅材料（特别是p型硅）的低载流子迁移特性极大地限制了微电子器件的发展，这也直接导致半导体芯片越来越难按照“摩尔定律”更新换代。为了解决这一瓶颈问题，“后摩尔时代”的微电子器件研究更多地转向开发可替代硅材料的新材料及新结构器件。锑化镓（GaSb）材料由于具有III-V族半导体中最高的空穴迁移率（1000 cm²V^-1s^-1），被认为是未来微电子电路中替代p型硅（空穴迁移率：µh ≈ 480 cm²V^-1s^-1）的最佳材料。

作者在前期的研究中发现，采用常规的化学气相沉积法合成GaSb纳米线会遇到纳米线横向生长的问题，导致晶体质量差、空穴迁移率长期得不到提高（一般 < 40 cm²V^-1s^-1）。于是，杨再兴教授、何颂贤教授、韩宁研究员首次提出采用硫表面活性剂原位钝化纳米线表面的方法，合成了空穴迁移率为200 cm²V^-1s^-1的GaSb纳米线（Nature Communications, 2014, 5, 5249）。他们进一步通过改变金薄膜催化剂的厚度，对GaSb纳米线的直径与生长方向进行调控，发现随直径的增大，纳米线的生长方向从<211>经<110>过渡到<111>。其中，<111>生长方向的GaSb纳米线空穴迁移率达到了400 cm²V^-1s^-1，这正是具有空穴浓度1018 cm^-3 的GaSb材料的理论极限（ACS Nano, 2015, 9, 9268-9275）。但是，金与传统硅半导体工艺不兼容，且诱导生长的纳米线方向不均一，直径相对较细的<211>、<110>生长方向的GaSb纳米线空穴迁移率较低。因此，如何合成CMOS工艺兼容、高空穴迁移率的单一<111>生长方向的GaSb纳米线成为难点。

基于此，山东大学微电子学院的杨再兴教授课题组与香港城市大学的何颂贤教授课题组、中国科学院过程工程研究所的韩宁研究员课题组、南京大学物理学院的吴兴龙教授课题组以及英国曼彻斯特大学的宋爱民教授课题组合作，在前期研究的基础上，选择金属钯（Pd）作为催化剂，利用硫表面活性剂辅助的气-固-固（VSS）生长机理合成了纯<111>生长方向的GaSb纳米线。单根GaSb纳米线的空穴迁移率达到330 cm²V^-1s^-1，接近具有空穴浓度1018 cm^-3的GaSb材料的理论极限。同时，他们借助接触印刷技术制备了空穴迁移率达到65 cm²V^-1s^-1的纳米线阵列薄膜场效应管。

图1. 气-固-固生长的<111>-GaSb纳米线及纳米线阵列薄膜场效应管的输运特性。

相关成果近期发表在ACS Nano上，第一作者为山东大学微电子学院的杨再兴。

该论文作者为：Zai-xing Yang, Lizhe Liu, SenPo Yip, Dapan Li, Lifan Shen, Ziyao Zhou, Ning Han, Tak Fu Hung, Edwin Yue-Bun Pun, Xinglong Wu, Aimin Song and Johnny C. Ho

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Complementary Metal Oxide Semiconductor-Compatible, High-Mobility, ⟨111⟩-Oriented GaSb Nanowires Enabled by Vapor–Solid–Solid Chemical Vapor Deposition

ACS Nano, 2017, 11, 4237, DOI: 10.1021/acsnano.7b01217