【摘要】：一維半導體硅納米線具有獨特的能帶結構和光電響應特性,有望成為構建新一代微納電子和光電器件的核心構件,在硅基邏輯、存儲、光電轉換和化學生物傳感等領域具有十分重要的應用前景,并受到了廣泛而深入的研究關注。相比于“自上而下”的光刻工藝,基于金屬In、Sn、Au顆粒催化誘導的“自下而上”自組裝生長,可以方便地制備形貌、尺寸和化學組分可控的各類納米線結構。然而,通常采用的自組裝硅納米線生長大多垂直于襯底表面,為了實現(xiàn)在平面框架中的器件應用和集成,需要把豎直納米線轉移到目標襯底之上。這種“豎直納米線生長”和“平面器件工藝”之間的矛盾在很大程度上限制了基于硅納米線的大規(guī)模器件集成和應用。因此,近年來,圍繞著如何在平面襯底上直接生長“面內(nèi)’'(in-plane)納米線,以及如何實現(xiàn)平面納米線陣列的精確定位和集成,國內(nèi)外課題組進行了大量的研究探索。到目前為止,除了利用昂貴的電子束光刻技術以及溶液環(huán)境中的多步轉移技術,還沒有建立起一種能基于傳統(tǒng)大面積硅基薄膜工藝實現(xiàn)的平面納米線生長、調(diào)控和自定位集成技術。本論文根據(jù)這一技術挑戰(zhàn)和實際應用需求,提出并發(fā)展了一種全新的平面固-液-固(in-plane solid-liquid-solid, IPSLS)納米線生長技術。結合納米線臺階引導和外延定向生長技術實現(xiàn)了平面硅納米線的規(guī)模陣列生長和定位。在深入研究臺階引導生長和外延引導機理的基礎上,建立較為完善的引導硅納米線動態(tài)生長模型。隨后,基于自定位納米線陣列,實現(xiàn)了高遷移率的硅納米線晶體管器件結構,并對其電學性質進了初步測試研究。具體而言,本論文的主要創(chuàng)新點如下：1、利用不同的引導臺階圖案,首次實現(xiàn)了對平面硅納米線圖案的精確調(diào)控,并成功獲得了高達98%以上的納米線定位生長引導率,制備了大面積尺寸均勻的平面硅納米線陣列�；谝幌盗猩L調(diào)控,建立了較為完善的臺階引導生長模型,并提出了最優(yōu)化的臺階引導實驗設計和實施方案。2、在硅襯底上實現(xiàn)了平面硅納米線的同質外延生長。在Si(100)襯底上實現(xiàn)了平面硅納米線的外延生長。在外延界面的引導下,實現(xiàn)了外延硅納米線沿Si[0-11]和Si[01-1]兩個相互垂直方向的自定向生長。通過截面TEM證實了納米線和襯底之間具有外延界面,并根據(jù)實驗結果建立了同質外延生長模型。3、在藍寶石R(1-102)面上實現(xiàn)了平面硅納米線的異質外延生長。實驗結果表明,大多數(shù)外延平面硅納米線的生長方向是沿著藍寶石襯底的[11-20]和[-1101]這一組相互垂直的方向生長并且可以在兩個方向之間相互轉換。另外一部分平面硅納米線的外延生長方向是沿著藍寶石襯底的[2-201]和[0-22-1]兩組近似相互垂直的方向。綜合平面硅納米線的SEM形貌、AFM截面輪廓形貌和截面TEM等實驗結果建立了平面硅納米線異質外延生長的模型。4、在可控生長平面硅納米線陣列的基礎上,設計并制備了硅納米線場效應晶體管器件。通過氧化鈍化優(yōu)化了硅納米線表面結構。分別研究了底柵和頂柵結構下器件的轉移特性,頂柵結構的平面硅納米線場效應管特性,在低溫(350℃)大面積硅基薄膜工藝基礎上,實現(xiàn)了較高的電流開關比～106,高遷移率200cm2/Vs。為大規(guī)模高性能薄膜電子器件奠定了關鍵的新型納米線陣列制備技術。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TN304.054;TN386

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