【摘要】：一維半導(dǎo)體硅納米線具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和光電響應(yīng)特性,有望成為構(gòu)建新一代微納電子和光電器件的核心構(gòu)件,在硅基邏輯、存儲(chǔ)、光電轉(zhuǎn)換和化學(xué)生物傳感等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景,并受到了廣泛而深入的研究關(guān)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(dǎo)的“自下而上”自組裝生長(zhǎng),可以方便地制備形貌、尺寸和化學(xué)組分可控的各類納米線結(jié)構(gòu)。然而,通常采用的自組裝硅納米線生長(zhǎng)大多垂直于襯底表面,為了實(shí)現(xiàn)在平面框架中的器件應(yīng)用和集成,需要把豎直納米線轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底之上。這種“豎直納米線生長(zhǎng)”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(yīng)用。因此,近年來,圍繞著如何在平面襯底上直接生長(zhǎng)“面內(nèi)’'(in-plane)納米線,以及如何實(shí)現(xiàn)平面納米線陣列的精確定位和集成,國(guó)內(nèi)外課題組進(jìn)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(shù)以及溶液環(huán)境中的多步轉(zhuǎn)移技術(shù),還沒有建立起一種能基于傳統(tǒng)大面積硅基薄膜工藝實(shí)現(xiàn)的平面納米線生長(zhǎng)、調(diào)控和自定位集成技術(shù)。本論文根據(jù)這一技術(shù)挑戰(zhàn)和實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)技術(shù)。結(jié)合納米線臺(tái)階引導(dǎo)和外延定向生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了平面硅納米線的規(guī)模陣列生長(zhǎng)和定位。在深入研究臺(tái)階引導(dǎo)生長(zhǎng)和外延引導(dǎo)機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立較為完善的引導(dǎo)硅納米線動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型。隨后,基于自定位納米線陣列,實(shí)現(xiàn)了高遷移率的硅納米線晶體管器件結(jié)構(gòu),并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)了初步測(cè)試研究。具體而言,本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：1、利用不同的引導(dǎo)臺(tái)階圖案,首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面硅納米線圖案的精確調(diào)控,并成功獲得了高達(dá)98%以上的納米線定位生長(zhǎng)引導(dǎo)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(zhǎng)調(diào)控,建立了較為完善的臺(tái)階引導(dǎo)生長(zhǎng)模型,并提出了最優(yōu)化的臺(tái)階引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。2、在硅襯底上實(shí)現(xiàn)了平面硅納米線的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。在Si(100)襯底上實(shí)現(xiàn)了平面硅納米線的外延生長(zhǎng)。在外延界面的引導(dǎo)下,實(shí)現(xiàn)了外延硅納米線沿Si[0-11]和Si[01-1]兩個(gè)相互垂直方向的自定向生長(zhǎng)。通過截面TEM證實(shí)了納米線和襯底之間具有外延界面,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了同質(zhì)外延生長(zhǎng)模型。3、在藍(lán)寶石R(1-102)面上實(shí)現(xiàn)了平面硅納米線的異質(zhì)外延生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大多數(shù)外延平面硅納米線的生長(zhǎng)方向是沿著藍(lán)寶石襯底的[11-20]和[-1101]這一組相互垂直的方向生長(zhǎng)并且可以在兩個(gè)方向之間相互轉(zhuǎn)換。另外一部分平面硅納米線的外延生長(zhǎng)方向是沿著藍(lán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了平面硅納米線異質(zhì)外延生長(zhǎng)的模型。4、在可控生長(zhǎng)平面硅納米線陣列的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制備了硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。通過氧化鈍化優(yōu)化了硅納米線表面結(jié)構(gòu)。分別研究了底柵和頂柵結(jié)構(gòu)下器件的轉(zhuǎn)移特性,頂柵結(jié)構(gòu)的平面硅納米線場(chǎng)效應(yīng)管特性,在低溫(350℃)大面積硅基薄膜工藝基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了較高的電流開關(guān)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(guān)鍵的新型納米線陣列制備技術(shù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB383.1;TN304.054;TN386

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本文編號(hào)：2266041