新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件共18页word资料

项目名称：新型高性能半导体纳米线电子器件和量
子器件
首席科学家：徐洪起北京大学
起止年限：2019.1至2019.8
依托部门：教育部中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
国际半导体技术路线图（ITRS）中明确指出研制可控生长半导体纳米线及其高性能器件是当代半导体工业及其在纳米CMOS和后CMOS时代的一个具有挑战性的科学任务。

本项目将针对这一科学挑战着力解决如下关键科学问题：（1）与当代CMOS工艺兼容、用于新型高性能可集成的纳电子器件的半导体纳米线阵列的生长机制和可控制备；（2）可集成的超高速半导体纳米线电子器件的工作原理、结构设计及器件中的表面和界面的调控；（3）新型高性能半导体纳米线量子电子器件的工作模式、功能设计和模拟、载流子的基本运动规律。

根据这些关键科学问题，本项目包括如下主要研究内容：
(一)新型半导体纳米线及其阵列的可控生长和结构性能表征
在本项目中我们将采用可控生长的方法来生长制备高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结纳米线和这些纳米线的阵列。

生长纳米线的一个重要环节是选取衬底，我们将研究在InAs衬底上生长高品质的InAs纳米线，特别是要研究在大晶格失配的Si衬底上生长InAs纳米线的技术。

采用Si衬底将大大降低生长成本并为与当代CMOS工艺的兼容、集成创造条件。

关于InSb和GaSb纳米线的制备，人们还没有找到可直接生长高品质InSb和GaSb纳米线的衬底。

我们将研究以InAs纳米线为InSb和GaSb纳米线生长凝结核的两阶段和多阶段换源生长工艺，探索建立生长高品质InSb和GaSb纳米线及其InAs、InSb和GaSb异质结纳米线的工艺技术。

本项目推荐首
席徐洪起教授领导的小组采用MOCVD 技术已初步证明这种技术路线可行。

我们将进一步发展、优化InSb和GaSb纳米线的MOCVD生长工艺技术，并努力探索出用CVD和MBE生长InSb和GaSb纳米线的生长技术。

CVD是一种低成本、灵活性高的纳米线生长技术，可用来探索生长大量、多样的InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结，可为项目前期的纳米器件制作技术的发展提供丰富的纳米线材料，也可为MOCVD技术路线的发展提供技术参考。

MBE生长技术虽然成本高，但可提供高品质的纳米线结构，特别是可提供具有单原子层精度的异质结纳米线结构，是本项目研究高性能纳米线电子器件的工作原理和性能极限不可或缺的材料。

实际上以InAs纳米线为凝结核生长出的InSb纳米线和GaSb纳米线结构是一些新型的InAs/InSb、InAs/InSb/GaSb、InAs/GaSb等异质结纳米线结构，是研制新型高性能电子器件的全新纳米材料系统。

我们还将研究纳米线阵列的可控制备技术。

作为器件材料基础的半导体纳米线，其性能是决定器件品质的关键因素之一。

优化纳米线的制备工艺、研究其结构和性能的关系对制备高性能纳米线电子器件至关重要。

除了传统的结构分析手段，本项目还将利用和发展以电子显微镜为基础的纳米结构的原位表征技术，研究纳米线的结构及其成份分布，利用电子能量损失谱和各种光学测量（如光致发光光谱，X 射线荧光光谱）方法研究纳米线的电子结构，研究纳米线的晶体结构与电子能谱结构之间的关系；通过结合微加工技术和性能测量手段，获得纳米线的制备条件、结构、电学特性的关系，优化可控的纳米线生长工艺，为制备高性能器件提供基础。

（二）立式环栅超高频半导体纳米线器件的研制
本项目将研究采用InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结构制作立式环栅纳米线场效应晶体管和类CMOS器件及其工作原理。

立式环栅器件结构不仅可以实现很好的栅控，而且为高密度立体集成以及与CMOS线路兼容的全三维空间集成提供了可能。

但是，立式环栅工艺复杂，国际上也只有极少数几个研究组制备成功了。

另一方面，要实现高性能器件，还有很多材料、物理和化学方面的
科学难题需要解决。

例如，由于表面散射等原因，目前实验测得的InAs纳米线的电子迁移率常远远低于理论值3300cm2/Vs。

我们将通过本项目集中攻克立式环栅纳米线器件的制作技术难题，制作出纳米线立式环栅器件。

针对这个目标,我们将集中力量研究以下内容：
利用电子束曝光或纳米压印技术确定纳米线的生长位置与用MOCVD或MBE方法制备纳米线阵列的工艺兼容性问题；利用原子层沉积(ALD)技术生长的高K介质层的介电性质、缺陷特性及其对整个器件性能的影响；高K介质与纳米线的界面性质对器件性能的影响，界面性质改善的机理和实现方法；源、漏电极与纳米线接触的可控制备、性质和对器件性能的影响规律；源、漏、栅电极结构的设计，如材料种类、面积、形状、上下排列间距和重叠方式等，引起的各种寄生电容、串并联电阻等对器件性能的影响；立式环栅纳米线器件的制备中涉及到的多次定位、光刻、刻蚀和镀膜等十余步工艺的兼容性、精确对准、重复性和可靠性也是本项目需要解决的技术难题。

（三）新型半导体纳米线量子电子器件的研制
我们还将采用InAs、InSb和GaSb纳米线以及它们的异质结纳米线结构探索研制一些基于量子原理的新型高性能半导体纳米线电子器件。

我们将着重研究亚阈值摆幅能突破硅基CMOS极限的纳米线量子隧穿场效应晶体管和超低功耗超导电流场效应晶体管及其它相关量子电子器件。

我们将在本项目的先期阶段以研究单一的纳米线量子电子器件为主，后期将研究采用立式环栅技术制作可进行后期集成的新型量子器件。

下面是我们将研制的几种新型半导体纳米线量子电子器件。

（1）半导体纳米线量子隧穿二极管。

自组织生长的InAs纳米线是本征n 型半导体，而GaSb是本征p型半导体，因此InAs/GaSb异质结纳米线将是一种自组织生长得到无需掺杂的高质量p-n结纳米线结构。

在本项目中，我们将采用InAs和GaSb异质结纳米线这种优越而独特的结构来制作不需掺杂的高性能量子隧穿二极管器件，克服传统p-n结中掺杂界面难以控制的困难。

我们将通过生长
条件不断优化，大幅提高InAs/GaSb 纳米线量子隧穿二极管的峰值电流和峰值与谷值电流的比值，使所制作的器件在射频区域性能优异，从而可作为基本元件集成到振荡信号电路中。

（2）半导体纳米线量子隧穿场效应晶体管（T-FET）。

我们将在本项目中采用半导体异质结纳米线提供的优良结构特点和电学性能来设计制作半导体纳米线T-FET。

我们将采用InAs/GaSb异质结纳米线来制作基本的量子隧穿二极管，然后再在p-n结周围采用环栅或侧栅技术来实现场效应的操作。

T-FET既能实现负微分电阻，又能对器件的峰值电流和阈值电压进行有效调控，使器件的功能优异而又多元化。

（3）双栅p-n结量子隧穿二极管。

在InAs或InSb纳米线上并排制作出分立的两个栅极，并通过栅控使一段纳米线是n型导电而另一段是p型导电，从而在它的中间形成一个p-n结。

这是另一个完全不需要通过掺杂实现的p-n结二极管。

我们还可以通过调节栅控的位置和施加的栅压以及源漏偏压来控制p-n结的厚度，并通过这种控制制作出量子隧穿结二极管。

通过调节栅压可以调节峰值电流及峰值与峰谷电流的比值等表征量子隧穿结负微分电阻I-V特性的参数。

不需要掺杂的特点必将使器件的性能极其优越，从而满足高频电路对于高性能振荡元件的需要。

（4）超导电流场效应晶体管（S-FET）。

InAs，InSb和GaSb纳米线材料的另外一个突出优点是极易与不同材料结合制成高性能复合电子与光电子器件。

我们将探索用超导材料做接触电极，从而制成超导电流场效应晶体管。

这种器件采用超导体临近效应原理，使纳米线在与超导体结合时呈现超导特性。

因此，电流流过纳米线时无压降，但电流强度可用栅控调制。

这是一种极低能耗的场效应晶体管，可实现超大规模集成，在一些特殊、关键领域有重要应用前景。

（四）半导体纳米线的结构及其器件设计和理论分析。

半导体InAs、InSb和GaSb纳米线及其异质结构是近几年来迅猛发展起来的结构新颖、性能优异的纳米材料。

在基于新结构、新原理的高性能纳电子器件中有广阔的应用前景。

但是目前人们对这些纳米线的晶格结构、能带结构、电学性质，以及器件的性能和工作原理等方面的理解仍然十分粗浅，在器件的设计、性能的优化、模型的建立以及器件的集成等方面的理论工作仍然十分缺乏。

本项目将与实验相结合通过理论分析与数值计算，努力揭示这些纳米线的基本物理特性和器件的工作原理和性能，为新型高性能半导体纳米线的电子器件的设计、制作、测量等奠定厚实的理论基础。

具体将通过对InAs、InSb和GaSb纳米线及其异质结的晶格结构分析和相关理论计算来确定这些纳米材料的能谱结构，特别是wurtzite结构的纳米线的能谱结构和异质结构的能谱结构，并研究新型量子器件的性能及工作原理。

将通过严格的理论分析与计算揭示载流子在材料和器件中的输运过程和散射机制。

另一方面，通过建立器件模型和等效电路等探索研究器件的性能特点和集成性。

并利用器件模型指导器件的设计、评估器件的性能、提取器件的工作参数等，为器件的集成和性能的充分优化提供理论依据。

二、预期目标
总体目标：
本项目针对未来信息技术及相关产业和国防高技术产业对新一代高性能电子器件的明确需求，围绕国际半导体技术路线图提出的未来半导体技术发展所面临的关键科学问题，从新材料、新结构、新器件原理和模型等基础层面进行创新研究。

我们的总体目标是发展新型可集成的超高速半导体纳米线电子器件和一系列新型高性能半导体纳米线量子电子器件，使我国在先进半导体纳米器件领域拥有关键核心技术和自主知识产权，为我国高端电子和信息产业的可持续发展奠定技术基础并培养高水平人才，增强我国在高科技领域的原创能力和国际竞争力。

五年预期目标：
本项目的五年预期目标主要是解决与当代CMOS工艺兼容的、可集成的、超高速、新型高性能半导体纳米线器件的关键科学问题和技术问题，开发具有自
主知识产权的核心技术。

具体包括：
（1）在与当代CMOS工艺兼容的硅衬底上定位生长出高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结构。

制备出垂直生长的纳米线阵列。

认识纳米线的生长机制，掌握相关制备技术。

（2）掌握环栅半导体纳米线器件的制作技术，认识超高速纳米器件的工作原理和性能影响机制，制作出截止频率在THz的立式环栅半导体纳米线场效应晶体管等高性能、可集成的半导体纳米线器件。

（3）研制出亚阈值摆幅小于硅CMOS理论极限（60 mV/decade）的隧穿场效应晶体管和超低功耗的超导电流场效应晶体管。

认识相关的器件工作原
理和物理机制。

（4）建立高性能半导体纳米线器件模型和模拟软件，建立半导体纳米线及其异质结构的晶格结构和能谱结构的计算方法和程序，认识纳米线结构中
的载流子散射机制和量子输运过程、器件工作原理，提供器件的极限工
作性能参数和器件性能优化方案。

（5）拥有一批具有自主知识产权、与半导体纳米线材料和器件相关的发明专利和核心技术。

项目执行期间发表100篇以上国际高水平论文，其中包
括影响因子大于6的论文约20篇，申请20个以上发明专利。

（6）培养出一批创新能力强的纳米器件领域的优秀科研人才。

项目执行期间将年轻学者培养成为能够独挡一面的学科带头人（其中包括1-2名国家
杰出青年基金获得者）。

三、研究方案
（一）学术思路
本项目将紧紧抓住InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结的独特结构特点和优异电学性质优势，研制出未来纳米CMOS时代和后CMOS时代的高性能半
导体纳米线电子器件和量子器件。

本项目的具体学术思路包括：（1）利用InSb 和InAs的高n-型迁移率特性，采用新型立式环栅技术制备出截止频率进入THz 的超高速半导体纳米线场效应器件；（2）通过可控生长将高n-型迁移率的InAs 纳米线与高p-型迁移率的GaSb纳米线材料相结合，采用双栅技术制作出无需专门掺杂的超高速类CMOS器件；（3）利用可控生长的高品质、无位错的InSb、InAs和GaSb纳米线组成的异质结构，研制新型高负微分电阻纳米线隧穿二极管器件和亚阈值摆幅突破CMOS理论极限（即小于60mV/decade）的隧穿场效应晶体管；（4）利用InSb纳米线的窄带隙和高迁移率特性，采用双栅技术研制超高速可调控p-n结器件和隧穿电子器件；（5）利用InSb和InAs纳米线极易与超导电极相结合的技术优势，研制出超导电流可调控的极低能耗的超导电流场效应晶体管。

（二）技术途径
本项目涵盖了纳米材料的可控生长与表征、纳米器件的制作与测量以及纳米结构与器件的理论、建模与数值模拟三大基本研究任务（见图5.1）。

这三大基本研究任务相互依托、相互支持，围绕着制作新型InSb、InAs和GaSb半导体纳米线电子器件和量子器件这一核心研究目标，构成本项目的总体研究内容与方案。

图5.1：围绕着本项目核心研究目标的三大基本研究任务及其相互关系
本项目的具体技术途径简述如下：
（1）在InSb、InAs和GaSb纳米线材料的可控生长和表征研究中，我们将采用电子束曝光和纳米压印等纳米加工技术在衬底上定点、定位制备出形状尺寸可控的作为纳米线生长凝结核的金属纳米颗粒阵列。

然后采用MOCVD、MBE 和CVD等淀积外延技术生长InAs纳米线，并采用两阶段和多阶段换源工艺生长InSb和GaSb纳米线以及由InSb、InAs和GaSb纳米线组成的各种异质结构。

将着重研究在大晶格失配条件下Si衬底上纳米线的生长工艺及其生长机制。

将采
用当代先进的分析仪器（包括XRD、SEM、EDX、HETEM、STEM、PPMS、PL、PLE、拉曼光谱等）对生长的纳米线及其异质结构的结构和性能进行测量、表征，并将研究结果用来指导生长工艺的优化。

（2）将在生长有纳米线的衬底上采用原子层淀积、定位曝光、刻蚀、镀膜等纳米加工技术制作纳米线立式环栅器件。

通过对器件性能进行精细的低频和射频电学测量和分析不断优化器件的结构设计，提高器件的性能，并为器件极限性能的评估提供翔实的实验数据。

将先在Si/SiO2衬底上制作量子器件，通过精细的电学测量研究新型纳米线量子器件的工作原理及材料结构和器件结构的优化方案。

在方案成熟以后再研究采用立式环栅工艺设计制作量子器件，从而为建立纳米线量子器件的可集成工艺提供一个全新的技术路线。

（3）理论分析、建模和数值模拟方面主要将针对InSb、InAs和GaSb纳米线及其新型异质结构的晶格和能谱结构，以及基于这些纳米线结构制作的超高速环栅电子器件和新型量子电子器件，通过采用第一性原理、紧束缚近似理论、k.p 理论、非平衡格林函数方法、散射矩阵方法、Boltzmann输运方程以及分子动力学等理论方法进行理论分析、模型模拟和数值计算，建立适用的物理与器件模型、提供新型器件的设计方案，揭示器件的工作机理和基本功能、提取器件参数、评估器件的性能并提出改进途径。

总之，在本项目执行的过程中，各团队间围绕制作基于InSb、InAs和GaSb 纳米线超高速环栅电子器件和新型高性能量子电子器件这一中心目标充分发挥各自的优势，相互依托、相互支持，协作攻关，为完成本项目的三大基本任务而形成一个有机的研究群体。

（三）创新点与特色
本项目的创新点与特色可概括如下：
（1）InSb和GaSb分别是n-型和p-型迁移率最高的半导体材料，本项目将制备基于这些纳米线、其截止频率在THz的场效应器件，有望突破当代CMOS
的速度瓶颈，这是目前国际上都还没有实现的。

（2）立式环栅器件使纳米线器件在工艺上真正具有三维可集成性。

本项目将使我国首次实现基于窄带隙半导体纳米线的立式环栅器件。

（3）采用InSb/GaSb、InAs/GaSb异质结和双栅技术制成的纳米线器件，将是国际上第一个采用高迁移率材料而又无需专门掺杂就能实现的类CMOS半导体纳米线器件，必将为纳米CMOS时代和后CMOS时代的器件的集成开拓出新的技术路线。

（4）利用只有通过纳米线结构才能可控生长实现的高品质InSb、InAs和GaSb纳米线异质结构，研制出亚阈值摆幅将突破CMOS理论极限（即小于60mV/decade）的新型隧穿场效应晶体管。

（5）利用InSb和InAs纳米线极易与超导电极相结合的特性，通过器件设计研制出超导电流可调控的极低能耗的超导场效应晶体管，将为研制有特殊用途的“零功耗”器件提供一个新的设计思路。

总之，InSb、InAs和GaSb纳米线是三种性能独特，优势突出且极具应用前景的纳米材料。

若我国能对在这一领域的研究进行重点支持，必将使我国在未来高性能纳米电子与量子器件这一高科技和国防工业战略领域的争夺战中取得有利地位。

（四）可行性分析
虽然目前国际上和国内许多研究机构都在研制基于半导体纳米线的纳米器件，但是只有极少数的研究组能够研制出高品质InSb、InAs和GaSb这些窄带隙和近窄带隙半导体纳米线的纳米器件。

本项目的有利条件之一是在InSb纳米线这一电学特性极佳的纳米线器件的研制领域，推荐首席徐洪起教授领导的研究组和合作者已经掌握了可控生长高品质纳米线材料及其电子和量子器件的制作技术。

本项目将集中我国在材料生长、纳米器件和理论研究方面的优势力量，重点攻克关键科学和技术问题，制作出的InSb纳米线场效应晶体管将能在器件的运
行速度上突破当代CMOS的速度瓶颈，从而为发展未来运行速度在THz的超快纳米半导体场效应管器件做出贡献。

平面、层状InSb和GaSb材料的生长技术复杂，目前国际上只有可数的几个实验组采用MBE技术获得过可用于制作器件的层状InSb异质结构。

我们采用纳米线结构，由于晶格失配能可在纳米线中获得高效释放，使多种高品质、无位错的InSb、InAs和GaSb纳米线异质结的生长成为可能，从而使制作新型超高速类CMOS电子器件和低亚阈值摆幅的隧穿场效应器件等多种高性能电子和量子器件成为可能。

总之，虽然本项目的研究内容和技术路线的实现具有极大的挑战性，但是本项目的研究内容和目标是紧紧结合InSb、InAs和GaSb纳米线的结构特点和性能优势而部署的，本项目的研究目标中不存在不可逾越的障碍。

本项目成员在相关研究领域有多年的经验，本项目的各依托单位也具有开展本项目研究的设备条件。

因此，我们有信心完成在本项目中提出的各项研究内容和计划，实现我们的目标，为我国未来半导体纳米线器件的发展做出重大贡献。

四、年度计划。