新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件

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：2012.1至2016.8

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。