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

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1、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-effecttransistors,single-electrontransistors,light-emittingdevices,和chemicalsensors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、

2、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匹配。type-IIInP-GaAsaxialheterostructure，因为有3.8%的晶格失配，不适合做薄膜异质结构。InP，GaAs分别

3、作NP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/Gecore-shellnanowiresonsiliconsubstrates.Finite-differencetimedomain(FDTD)simulation，实现了较少的太阳光反射，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highlytoxic

4、gasesSO2andH2S.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。InAsNWlow-voltage,high-speed,low-power的优点。InAssingle-nanowireFET，具有最小的寄生电容。NW长度5nm(Si)or20nm(III-Vs),纳米线器件表现出明显的量子效应、较低的功耗。VLSAu催化生长纳米线，NW顶部残留的Au颗粒可作为电

5、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-basedheterojunction（异质结）是理想的FET材料，因为窄带隙InAs和GaSb带隙分别是0.36eVand

6、0.73eVZero-biasInAs/AlSb/GaSbtunneldiodesforterahertzdetection，因为插入了一个薄薄的AlSbbarrier,减少了寄生热电流，实现高效率的电流遂穿势垒区。Junctionlessnanowiretransistor(JNT)isaheavily-dopedSOInanowireresistorwithanMOSgatethatcontrolscurrentflow,掺杂水平10*19and10*20cm-3.NWSolarCell,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

7、PN结结构Core-shell的NWPNsolarcell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