新型半导体纳米线光子器件及关键制备工艺新型半导体纳米线光子器件及关键制备工艺.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流新型半导体纳米线光子器件及关键制备工艺新型半导体纳米线光子器件及关键制备工艺.精品文档.新型半导体纳米线光子器件及关键制备工艺I、 研究背景纳米线制作Field-effect transistors, single-electron transistors, light-emitting devices,和 chemical sensors经过积极地探索，造福人类。因为2-D尺度上的量子限制效应，电子空穴表现出新颖的物理现象。 纳米线需要控制SIZE均匀，位置均匀，获得较好的纳米线器件性质。选择面SA-MOCVD生长纳米线，能获得高质量纳米线

2、阵列。电流的传输速度有限，II-V族化合物处理传输光信号和电信号，光学互联有更好的效果，能利用光速快的优点。所以需要寻找Si晶片上的单片集成光源。Si、Ge是间接带隙，光源需要直接带隙的材料。III-V族化合物（GaAs、InP）是直接带隙，但是Si和III-V有较大的晶格失配。III-V的在Si上的外延生长温度较高，比GaAs、InP衬底上生长III-V化合物生长温度高，所以III-V族材料集成到Si晶片上，比较困难。太阳电池需要多个带隙的III-V材料，不同带隙的材料光生电流，能适合吸收不同波段的阳光。薄膜材料制作太阳电池需要晶格匹配，可选的材料会很少。NW的太阳电池不必考虑不同材料的晶格

3、匹配。type-II InP-GaAs axial heterostructure，因为有3.8% 的晶格失配，不适合做薄膜异质结构。InP ， GaAs分别作N P掺杂，由于带隙接近，相当于InAsxP1-x-GaAsyP1-y的结构，能更好的覆盖太阳光频谱。 III-V 多节太阳电池，已经报道了42,8%的效率。但是，生长条件、衬底材料、PN结材料选III-V族做太阳电池太贵了。GaAs/Ge core-shell nanowires on silicon substrates. Finite-difference time domain (FDTD) simulation，实现了较少的太

4、阳光反射，和更大的太阳光入射角度InAs 的带隙窄，有较好的欧姆接触。气体探测，需要垂直探测。纳米线有先天的优势。比如十亿分之一的NO2气体探测。NW 能够探测highly toxic gases SO2 and H2S. NW 剧毒气体CMOS探测器 剧毒气体垂直探测用到纳米线。 轴向纳米线InP-GaAs做CMOS的源极、漏极之间的栅极电压控制部分。纳米线的量子限制效应，可以实现高性能整体的较低漏电流，满足CMOS的高可靠性要求。 窄带隙、高迁移率的InAs材料适合做纳米线光电子器件。InAs NW low-voltage,high-speed, low-power的优点。InAs sin

5、gle-nanowire FET，具有最小的寄生电容。NW 长度5 nm (Si) or 20 nm (III-Vs),纳米线器件表现出明显的量子效应、较低的功耗。VLS Au催化生长纳米线，NW 顶部残留的Au颗粒可作为电极，比如用AFM原子力显微镜的探针压在Au颗粒上，底部衬底镀上金属电极，可以测试在NW阵列里NW的相互影响下，单根NW的I-V曲线。重掺杂、窄带隙（InAs，InGaAs）更适合形成欧姆接触，I-V特性是一条直线，有唯一的电阻值。因为欧姆接触，金属电极和半导体的接触电阻很小，主要是半导体自身的电阻影响I-V曲线。由测出的I-V曲线的斜率算出电导值，取倒数是电阻值，真实反映了

6、半导体纳米线的电阻值，此电阻值关联NW的 P型（N型）掺杂浓度、载流子密度。InAs/GaSb-based heterojunction（异质结）是理想的FET材料，因为窄带隙InAs 和GaSb 带隙分别是0.36eV and 0.73 eVZero-bias InAs/AlSb/GaSb tunnel diodes for terahertz detection，因为插入了一个薄薄的AlSb barrier,减少了寄生热电流，实现高效率的电流遂穿势垒区。Junctionless nanowire transistor (JNT) is a heavily-doped SOI nanowir

7、e resistor with an MOS gate that controls current flow,掺杂水平10*19 and 10*20 cm-3.NW Solar Cell,PN 结为基础，PN结有径向core-shell结构,轴向PN结结构，生长最简单的纳米线-Sub是PN结结构Core-shell的NW PN solar cell 结构超声波取下的单个纳米线，做FET的源漏极之间的栅极电压控制部分NW 轻度掺杂时，材料带隙较大(比如GaAs)是Schotty 接触，金属电极和NW间形成的接触电阻不小，影响到NW整体器件的电阻是变化的，I-V曲线斜率变化，电阻值随加在器件两端的

8、电压不同不断变化。NW 重掺杂时，材料带隙小（比如InGaAs）,是欧姆接触，金属电极和NW间的接触电阻小到可以忽略，只有NW自身材料的电阻起作用，器件的I-V特性是一条直线，斜率电导是NW的电阻值的倒数，可以知道重掺杂的P 、N型掺杂浓度。NW PN结，是最简单的solar cell，接受阳光，产生光生电流，再由金属电极P极、N极传导出去。Core-shell PN结 NW 阵列，做出的solar cell。光要照在PN结上，这种结构阳光的转换效率不高，需要在NW上开小窗，裸露P、N结连接部分，使阳光照在PN结载流子耗尽区。 但是CORE-SHELL的 NW 容易生长。轴向NW生长GaAs-

9、InGaAs（AlGaAs）的异质PN结，InGaAs（AlGaAs）虽然向上生长，但同时会包裹住下段的GaAs NW，形成core-shell结构。随着MOCVD制备NW技术的专研，未来solar cell还是轴向结构，阳光照在PN结上，不需要后工艺开PN结接触位置的窗口，引入缺陷。轴向PIN NW 太阳电池，光生电流表征；径向PIN NW太阳电池，光生电流表征NW FET 两种结构InAs NW 轴向溅射金属电极，制作源极、栅极、漏极FET器件InAs 轴向FET的I-V 特性曲线GaAs-InGaAs-GaAs,就是热门的这种结构。InGaAs带隙窄，发光波长比GaAs的870nm长，光

10、通信器件研究希望NW光探测器达到光纤通信需要的1.3um,1.55um ,分别是单模光纤、多模非线性色散光纤的最低光信号损失波段。MOCVD原理图，接受最广，NW生长速度最快的制作NW的设备。GaAs、InP、Si等Sub上磁控溅射Au薄膜，MOCVD中645 摄氏度高温退火成Au颗粒。在几百摄氏度的优化条件下生长GaAs、InP、及其衍生种类NW。直接带隙的III-V 族NW倾向于在Sub(GaAsInPSi Sub )上沿方向垂直Sub生长,因为能带图上，上方导带下方价带。处有次低的导代能量，比方向导代能量低，NW 系统向着能量最低的方向生长，系统的熵增加。在Sub上，NW会与Sub夹角3

11、5.3度，向方向生长，垂直Sub方向是方向。II、 关键科学问题与瓶颈技术NW 的掺杂水平不易测出。MOCVD生长NW的掺杂源流量控制，但是不能一对一的得出掺杂水平，因为可能掺杂源没有在金属合金熔融状态下过饱和，成为固态在NW 上析出，P型、N型掺杂成分一直在气体氛围中或是金属熔融合金中。A pplication of infrared near-field nanoscopy for highly sensitive and nanoscale 解决了掺杂NW中自由载流子的分布map分析Infrared near-field mapping of modulation doped InP n

12、anowires，使用的IR laser frequency 是 893 cm-1 (11.2 mwavelength)InP NW samples of different free-carrier concentration n ranging from 10*16 to 10*19 cm-3A (undoped InP) ， B (doped InP core ) ，C(doped InP shell),计算掺杂水平，载流子浓度nInfrared near-field mapping能测出单根NW 载流子浓度的渐变InGaN LEDs 发出红色到黄色的光，因为与GaN ,InN 11%

13、的大晶格失配，不宜做成块状LED材料，用NW，直径只有30nm，最多200nm,NW 异质结构界面小，可以不考虑异质材料的晶格失配InGaN GaN NW LED ,用InGaN QW 做有源区，Mg做连续的顶部电极; 40 mA drive current驱动下LED发射白光III-V纳米线直接在Si衬底生长。纳米线生长不考虑晶格失配，因为纳米线直径微小，几十到几百纳米的纳米线直径，是III-V族化合物与衬底Si的晶格失配没有表现出材料质量缺陷。室温 293 K ，120 fs Ti 蓝宝石光泵浦，谐振有whispering gallery (WG) 和Fabry-Perot (FP) re

14、sonances lower-cost, higher-efficiency solar cellsCMOS一般做在Si Sub上，激光器一般在III-V族材料上。集成设计的思想，III-V族NW生长需要高的温度，超过了CMOS的源、漏极桥接温度400-450 摄氏度.III-V和Si的晶格常数、热膨胀系数相差也很大。 InP纳米线，H2S做N型掺杂，在Si衬底上做欧姆接触的MOSFET对于栅极控制电压 Vsd =100 mV，门限区 (SS)的斜率 68 mV/decade ， 而对于栅极控制电压 Vsd = 700 mV，门限区 (SS)的斜率73 mV/decadeInP纳米线做栅极控制

15、部分，对于栅极控制电压 Vsd =-1.25V，门限区 (SS)的斜率 222 mV/decadeAlGaAs/GaAs vertical heterostructure NWs,适用于制作波长 850 nm的LED器件。很难在GaAs纳米线上生长AlGaAs.因为 AlGaAs NW 生长在800 摄氏度的高温，比GaAs NW生长温度高。在AlGaAs NW 上生长GaAs NW 也不易在MOCVD生长实现。所以文献都在介绍AlGaAs/GaAs 的Core-shell结构纳米线，笔者用GaAsP/GaAs 轴向纳米线取代AlGaAs/GaAs，能够MOCVD制作出来。GaAsP也是有报道

16、的能自催化MOCVD生长的纳米线材料。SA-MOCVD生长位置可控，直径可控，均匀生长的自催化纳米线。GaAsP NWs grown at 750 摄氏度. V/III ratios of GaAsP NWs are (a) 185, (b) 62, and (c) 31优化生长条件后，GaAsP NWs grown at 750 摄氏 ， V/III ratio of 20.GaAsP 和AlGaAs NW的PL发光波长都比GaAs NW PL 发光波长长，GaAsP可以自催化SA-MOCVD均匀生长,GaAsP NW的生长温度不像AlGaAs NW 那么高。GaAsP是很好的AlGaAs

17、NW 结构替代品。轴向嵌入一段GaAsP 60纳米的，做有源区。做出GaAs/GaAsP/GaAs heterostructure NW.窄带隙的GaAs比GaAsP更适合做有源区。用GaAs QW（70NM） 做有源区更好。晶体质量还需提高，目前只能测出低温PL。4.2K PL spectra of heterostructure NWs with a GaAs QWBuried in GaAsP NWs, GaAsP/GaAs heterostructure NW, and GaAsP NW的PL谱。Axial InAsInP heterostructures，InAs NW上，暗处是两个

18、100-nm and 10-nm dots InP，4.2K低温下，栅极电压变化时，测出纳米线做器件的栅极电导的变化。NW 的晶相控制。左WZ闪锌矿，有层状结构，高温生长NW。右ZB结构NW，是较低温生长NW，晶相好，表面较光滑。InAs nanowire 的C-V测量，可以确定NW掺杂水平。NW 集成到晶片上的方法(a) Deposition from a liquid using the LangmuirBlodgett technique, (b) dry contact printing, (c) on-chip growth of nonepitaxial（放到的） nanowire

19、s, and (d) on-chip growth of epitaxial（直立的） nanowires.制作栅极 Gate的几种方法。(a)InAs Sub上生长InAs NW (b) InAs NW 排成一排，平均周期150 nm. (c) Schematic cross section of a vertical InAs transistor.(d) InAs nanowires grown on semi-insulating（无掺杂的） InP Sub , where a metal contact has been processed to the bottom section

20、 of the nanowires. (e) Gate formed by metal sputtering and selective etching ，由上而下磁控溅射金属电极，刻蚀NW，NW array整齐均匀 (f) Gate formed by tilted metal evaporation of Cr, followed by selective wet etching (Lg around 50 nm)III-V Nanowire FETs 的参数。Vertical InAs nanowire FET array with 79 nanowires, and a wrap-ga

21、te length of 50 nmNW FET的小信号模型垂直NW制作 源、栅、漏极。测出NW FET不同频率下的增益曲线。生长NW branch，结成网络。右边是俯视图（鸟瞰图）3-D NW 结构网络 III、 国内外技术发展现状 (含技术对比)纳米线激光器由InGaAs core - GaAs shell组成。MOCVD低温 400 C 生长NW， on a (111) Si substrate。生长沿着0001 wurtzite c-axis.纳米线是六棱柱闪锌矿结构。无Au催化生长，适合做出CMOS结构。蓝线是门限以下。红线是门限之上，在920纳米发光波长，产生a classic s

22、ignature of laser oscillation.蓝线强度乘以200，是门限以下，发光强度很低。在阈值之上，有950 纳米的LD激射。随着In组分的增加，发光波长向长波长移动。GaAs/Ge core-shell nanowires on silicon substrates.低成本的衬底上做太阳电池。VLS机理在 Si Sub生长Ge 纳米线，去掉Au催化剂，在Ge NW上生长GaAs core-shell NW。在Ge NW上制作太阳电池，有GaAs core-shell，两个结，中夹一个隧道结。最后覆盖上ITO（In 锡氧化物）。需要找出反射太阳光最少的纳米线直径，最有效率的把

23、太阳光能转换成光生电流。GaAs core-shell nanoneedle APD（雪崩二极管），InGaAs/GaAs LED , 在Si衬底上，低温400摄氏度自催化生长NW 器件。GaAs core-shell nanoneedle APD，n-doped GaAs core (Si doped,10*17/ cm3), followed by a p-doped shell (Zn doped,10*18/cm3) on an n-type (111) silicon substrate (10*15/cm3).InGaAs/GaAs LED，3 A current injectio

24、n 的EL谱。 InP衬底上InP 高质量纳米线阵列，需要gold islands (20-50 nm diameter)InP纳米线阵列的探测NO2的气体探测器。用Si3N4掩膜覆盖着器件。为了I-V是直线，需要欧姆接触电极，选择带隙窄的InP材料做纳米线阵列。测量NO2 in N2，200 根纳米线，saturated response to 9 ppm NO2/N2. 生长InP纳米线阵列前，1.2 nm thin SiOx initiation layer 沉积，自催化选择位置MOCVD生长可控位置的InP纳米线。600C in a H2 atmosphere。InP纳米线长度3 m

25、，直径 50-100nm.最后覆盖 2 nm thick In-rich amorphous oxide layer (InxOy)不同浓度的 NO2 in N2.，欧姆接触的InP纳米线的对应电阻值InP NW 在源级、漏极之间做栅极控制，更好的利用几十纳米直径的NW的量子限制效应，做出45NM、25NM级别的的微光电子器件。Single nanowire FET with rw=25nm. The gate voltage varies from 0.5 to -2V.射频测量vertical InAs nanowire MOSFETs with Lg=100 nm. A maximum

26、ft=7.6 GHz and fmax=22 GHz are obtained, 受限是因为寄生电容。InAs self-aligned two-finger gate NW-FET with a gate length of 1.4 mSingle n-InAs NW-FET with an NW diameter of 35 nm and 1.4 m gate length. 50 m pitch layout with parasitic capacitances: (a) “Open” calibration element without and (b) with the devic

27、e contacts in the inner part.InP-GaAs heterojunctionHRTEM，InP（left）-GaAs（right） NW ，InP是WZ结构，GaAs是ZB结构。HAADF-STEM和EDX，对于InP-GaAs 交界面，是InAs结构，其宽度40NM左右。MOCVD生长异质结轴向NW，意外产生交界面的的嵌入InAs NW 结构。Free electron concentration of 3 10*18 cm-3 in InP and the transition region and a free hole concentration of 1

28、10*19 cm-3 in GaAs.不同温度下，InP-GaAs NW 在偏压下的电流绝对值。对低功率光电器件的应用有很好的前景。串联的II-VI族化合物太阳电池，吸收蓝光到红光，做top cell。而底部的 GaAs/ AlXGa(1-X)As graded solar cell (GGC) 做 bottom cell，吸收透射下来的残余红光。NW layer-by-layer growth and (b) island growth.GaAs NW 上生长InAs NW，是island growth，必须InAs做PIN NW的有源区时，用InGaAs取代InAs，就能在GaAs上生长。

29、InAs traces and nanowires on a GaAs (1 1 1)B substrate。InAs NW在平行于GaAs（111）B Sub的表面生长，因为由系统的熵原理，InAs NW向系统能量最低的方向 crawl 生长。When the migrating Au nanoparticle meets another trace，InAs NW 不再crawl 生长，Au nanoparticle-assisted axial InAs nanowire growth monolithically-grown Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge cell struc

30、tures are reported solar cells with the highest certified power conversion efficiency 32% under AM1.5G one-sun illumination.在P型掺杂Ge Sub，MOCVD生长Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge cell structureExternal quantum efficiency (EQE) of the Ga0.5In0.5P top cell and the GaAs middle cellInAs/GaSb nanowire，(B) I-V characteri

31、stics of two-terminal InAs/insert/GaSb nanowire diodes at 200, 245, and 294 K,InAs/GaSb nanowire heterostructures with GaInAs inserts :InAsInsertGaSb nanowire (A) before and (B) after processing into a transistor device effective gate length of the TFET device is about 100 nm(D) I-V characteristics

32、of an InAs/insert/GaSb transistor for VG ) -0.5 to 0.5 V. The gate-source leakage currents are below 1 pA for | VG | 0.5 V. (e) I-V characteristics of the same device for VG ) -0.75 to 0 V 。自上而下刻蚀纳米线，比MOCVD自下而上生长的NW整齐均匀。但刻蚀的NW还是密度会很大，像毛刷的毛一样排列。PN结太阳电池 NW相同的电压，NW PN结太阳电池比薄膜太阳电池光生电流密度大。NW的生长比薄膜容易，晶格失配

33、的影响很小。NW长的长，对光生电流的转换越好。5um长的NW 比2um长的NW、薄膜材料太阳电池的效果都好。a) 在强正磁场中NW 阵列磁极磁化饱和 b)离开强磁场后的NW 阵列磁极保持状态 c) 最强的负磁脉冲被NW 阵列记忆. d) 读取NW 阵列记忆的负磁脉冲. e)重新把NW 阵列放入强正磁场，进行下一轮的负磁记忆和读取负磁场分布。Single Si NW transistor for MW（微波） measurements,栅极不比在源漏极之间，创新性的把栅极Gate做在下一层晶片上Single SiNW transistors. (a) IdsVds curve at variou

34、s Vgs. (b) IdsVgs curve at a fixed Vds of 1 V. (inset) SEM image of single SiNW FET.Transmission and reflection characteristics of single Si NW transistor in the frequency range from 0.05 to 20 GHz using GSG probes and VNA. MW 微波通过single Si NW transistor，对应参数透射系数S21，反射系数S11参数(a). 把NW 在超声波的振动环境中取下，用滴

35、管滴在石墨烯上 (b).UV紫外光刻覆盖一层不透光薄膜. (c). 氧气等离子刻蚀，去掉暴漏的石墨烯 (d).腐蚀掉不透光薄膜，分别作 In/Au and Au ohmic contact electrodes to NW and graphene 欧姆接触的CdS NW - 石墨烯（Sub）做出的NW LED器件的I-V石墨烯Sub上不同 NW LED 的I-V特性石墨烯-NW异质结的能带图(a) 热平衡能带图 (b) 前向偏压下，NW 的异质结能带图ZnO, CdS, and CdSe NWs LED，分别对应光学波长 ultraviolet (380 nm) ，green (513 nm

36、) ，red (705 nm)IV、 发展趋势第一次grow III-V nanolasers monolithically on Si，未来还要把波长拓展到1.3um、1.55um光通信损耗最低的波段，实现optoelectronic integration 和 applicationsGaAs/Ge nanowire arrays 减少了太阳光的反射，提高了太阳电池捕获光的能力。 纳米线可以做APD，LED。 纳米线可以对有毒气体进行垂直探测。直接的电学读数，可以实时直接的反应有毒气体的含量。 InP纳米线作为 -gated MOSFETs 的栅极控制部分，在费米能级上有较好的栅极控制特性

37、。实现了高动态纳米线器件的制作。 GaAs QW buried in GaAsP NWs 适合纳米线器件结构，对未来的纳米线上做量子点，控制量子点的size、位置也有帮助。 NW 在CMOS 的源级、漏极之间，更好的利用了NW的几十 NM 直径，可以集成45NM 32NM 25NM的微电子器件，利用量子限制效应获得更好的物理电光学特性。 间接带隙的Si，也可以高效的EL发光，silicon NC-OLEDs are demonstrated with peak external quantum efficiencies of up to 8.6% for electroluminescence

38、 at a wavelength of 853 nmInAs nanowire FETs 有 low-voltage, low-power, high-speed 的优点。NW 在波导之下，没有紧密的附着在波导上。III-V nanowire FETs，单根III-V纳米线放在源、漏极之间，作为栅极控制，发挥量子限制作用，较低的功耗。垂直III-V NW，做源、栅、漏极，单根NW 上做二维受限的NW FET。Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge triple-junction solar cell ，多节太阳电池，topmiddlebottom cell,多段吸收太阳光，有更高的太阳能转换效

39、率NW PN结构做太阳电池，5um长的NW比短的NW(2um)要好，光电转换效率更高。纳米线 solar cell 虽然原料成本、MOCVD制造工艺成本高，但是比薄膜材料转换效率高，而且不考虑异质结构的晶格失配，大规模生产可以降低单个电池的成本，是现在研究的热点。NW FETs for MW measurements，考虑量子限制效应对微波传输的影响。Indium titanium oxide (ITO) as the flexible transparent conductive electrode for organic photovoltaics10 and light-emitting

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