一种基于异质叠层非晶薄膜的平面锗硅及相关纳米线生长方法技术

利用叠层非晶前驱体层制备异质或合金半导体纳米线的方法，1)在单晶硅衬底上，蒸镀设有图案的In、Sn、Ga金属或其组合合金，2)衬底放置PECVD系统，使用氢气等离子体处理样品，使得金属层转变催化液滴；氢气等离子体处理样品1‑10分钟后，呈现出正态分布的催化金属液滴；4)在PECVD系统中，首先沉积一层第一种的半导体材料，然后至少再沉积一层第二种的半导体材料，形成异质叠层非晶层供给层用做前驱体介质层；5)在真空中或者还原性、惰性气氛中退火，使得催化金属颗粒激活后开始吸收异质叠层非晶层材料，并交替析出第一半导体与第二半导体富集岛的纳米线；为高性能场效应晶体管、异质结双极性晶体管提供关键基础技术。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异质叠层非晶薄膜的平面锗硅及相关纳米线生长方法一、
本专利技术涉及半导体纳米线/沟道结构的微纳制备和组分调控的关键技术。尤其是一种基于异质叠层非晶薄膜供给的平面锗硅及相关纳米线生长形貌和组分调控的方法。二、
技术介绍
硅基材料一直是科研界与产业界研究的重点，同当下微电子产业的每一次进步紧密相连，并主要利用光刻加工、ICP刻蚀、离子掺杂等技术手段，通过逐步将体材料缩小的方式，构筑功能化器件。但是随着硅工艺的长期发展与逐步完善，通过逐步降低材料尺度的方式已经越来越难以满足人们对性能的要求，并且单一的硅材料严格的限制着器件的多样性与多领域应用，于是硅锗材料应运而生，为半导体行业的发展提供了新的平台，衍生出了新的功能器件。硅锗半导体材料与传统的硅工艺完全兼容，并且锗空穴迁移率1900cm2/Vs是硅四倍，电子迁移率是3900cm2/Vs是硅的三倍，禁带宽度0.66eV比硅材料有着更窄的带隙。与硅材料相比，硅锗材料结合了硅、锗各自的优势，硅锗纳米线由于其独特的光学、热学及力学、电学性质在光电探测、热电器件、TFT、柔性材料、生物医学等领域有广阔的应用前景。并且由于锗硅材料的性质跟锗的含量密切相关，所以可以通过单纯的改变锗的含量实现能带的剪辑、迁移率的调控，压阻效应的改善，进而更好的运用于高性能TFT、光电探测、智能皮肤、热电功能器件，是最有望解决是片上光互联技术的核心材料。纳米材料在器件性能方面比体材料有着明显的优势，制备纳米器件产业界多采用Top-down(自上而下)的制作思路获得高可控、高保行的器件。相应的，科研界多采用Bottom-up(自下而上)构筑方式。产业界通过Top-down构筑高性能器件的方式以大规模集成电路的制造最为典型，优点是稳定可靠、易于设计、便于产业化，但是工艺过于复杂、制造门槛太高、器件成本太高。与之相对应的，科研界多采用Bottom-up的构筑方式，辅助使用Top-down的工艺流程构筑纳米材料、纳米器件，把具有特定物理化学性质的功能材料，按照相应的力热光电声之间的相互关系与相互作用进行组合，可控制备量子点、纳米线、薄膜、三维材料，并进一步功能化，获得具备特殊功能的微纳结构与功能化器件。通过Bottom-up方式制备晶体纳米线的生长机制通常包括VLS(气-液-固)、LLS(液-液-固)、IP-SLS(平面固-液-固)。其中目前最广泛使用，也最具代表性的纳米线制备和生长方法是VLS生长模式，但是由于VLS纳米线通常采用气态前驱体供给，所生长的纳米线多为竖直阵列结构，应用范围大大受限，通常需要将竖直VLS纳米线收集、转移、定位到平面衬底之上，进一步功能化并构筑成为器件。而这些微纳操作成本高昂和标准硅工艺兼容程度不高，尤其是纳米线的大规模可控定位集成技术一直难以突破。这也就大大限制了VLS纳米线的规模化器件集成、与功能化应用。与VLS相比，IP-SLS是Bottom-up方式中构筑纳米线的相对较新的一种生长机制。基于此技术，半导体纳米线可以平面生长，并实现任意生长路径的精确引导，从而能够更好地应用于平面器件制备和集成。IP-SLS制备过程一般使用低熔点金属作为催化剂，在非晶态与晶态(前者为高能态前驱体)的吉布斯自由能驱动下，催化液滴吸收非晶硅、非晶锗、非晶硅锗等非晶薄膜，并在后沉积界面形成硅、锗、硅锗等半导体平面纳米线。IPSLS纳米线的生长过程中，前驱体层和催化剂颗粒(Catalyst)的作用最为核心。其中，催化剂液滴的直径决定着纳米线的直径，可以通过催化剂液滴实现10～1000nm直径范围内的纳米线调控生长。三、
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对上述问题，提供一种采用非晶叠层结构(a-Ge\a-Si)制备岛状锗硅异质结构纳米线的方法。尤其是强调采用复合叠层非晶叠层作为前驱体供给层，在平面衬底上直接生长锗硅合金以及异质自嵌套纳米线结构，自发实现岛链形貌调控和硅锗岛链相分离等核心调控手段与技术。在硅锗材料体系中，加入锗组分可以提高晶硅沟道的空穴迁移率，从而大幅改善器件性能。此技术在光电探测、热电转换、高性能平面显示薄膜晶体管、单电子器件、低维光子晶体等应用领域有广泛且重要的应用前景。本专利技术技术方案是：一种利用叠层非晶前驱体层制备异质或合金半导体纳米线的方法，步骤如下1)在单晶硅、玻璃、SOI、蓝宝石、石英或柔性金属或聚合物衬底上，蒸镀设有图案的In、Sn、Ga金属或其组合合膜，金属或合金膜厚度在2-500纳米，根据需要进行或不进行光刻加工引导沟道与Catalyst沟道；2)将上述衬底放置PECVD系统，在温度150℃-500℃，尤其是150-250℃的腔室温度中使用2W-20W的氢气、或还原性等离子体处理样品，使得金属层转变为直径范围10～2000纳米直径的催化液滴；催化液滴的直径可以通过金属层的厚度以及氢气处理的时间以及功率来调控；氢气等离子体处理样品2-10分钟后，呈现出正态分布的催化金属液滴；4)沉积前驱体介质层，在PECVD系统中，首先沉积一层一定厚度第一种的半导体材料(几纳米至几百纳米，如5－500纳米非晶锗层)，起码再沉积一层一定厚度第二种的半导体材料(如非晶硅层，或者交替沉积其它非晶材料)，形成异质叠层非晶层供给层用做前驱体介质层，如锗硅层(半导体非晶层)用做前驱体介质层；PECVD系统温度<200℃；5)在真空中或者还原性、惰性气氛中退火(氢气氮气等、温度在150℃-650℃，尤其是250-600℃)，催化金属颗粒激活后开始吸收异质叠层非晶层材料，如非晶锗、硅多层结构，并交替析出第一种的半导体材料与第二种半导体材料富集岛的纳米线，形成自发相分离(phase-separated)如锗富集岛状平面硅锗纳米线或称硅锗异质结纳米线；所谓锗富集区域一般指锗的含量大于硅的含量，既超过50％(体积或原子数)。只要在组分比例上有调控和空间分布的变化，都是异质结纳米线。步骤1)中铟、锡、镓、铝、铅、铜、锰、银、铁、铂、镍、金、锌等催化金属(及其金属合金)均可用于诱导生长平面半导体纳米线。步骤2)沉积叠多层非晶锗层、非晶硅层(或者交替沉积其它非晶材料)，以及多层交替或夹层等复合非晶层结构用作前驱体。第一或二种半导体材料组分富集区既可以是半导体材料，也可以是硼、磷等掺杂的半导体材料。本专利技术是自适应析出锗富集岛状平面硅锗异质结纳米线，同时直径、组分发生周期性的跃升，锗的含量与锗富集岛状的尺度可以通过锗层厚度以及催化液滴的直径来实现调控。例如调控顶层非晶硅层的厚度可以控制富锗岛状结构的间距，非晶硅层越厚富锗区域或岛的间距越大；而调控锗层的厚度可以调控富锗区域的大小，锗层越厚则富锗岛状结构直径和长度都越大(与富硅的沟道区域相比就更明显)。催化液滴的直径决定了锗富集岛状平面硅锗异质结纳米线中锗结的最大直径，可以通过改变催化金属层的厚度以及调控氢气处理的温度、功率以及压强等等离子体参数控制催化液滴的大小，以实现异质相分离纳米线的直径调控。催化层越厚、plasma处理功率越高、温度越高，所获得的金属颗粒越大。金属颗粒越大，富锗岛状区域的间隔越小。所谓富锗区域一般指锗的含量大于硅的含量，既超过50％。硅锗异质结纳米线中锗的含量以及锗岛的大小可以通过锗层的厚度以及在锗硅层中所占的比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用叠层非晶前驱体层制备异质或合金半导体纳米线的方法，其特征在于，步骤如下，1）在单晶硅、玻璃、SOI、蓝宝石、石英或柔性金属薄膜和聚合物衬底上，蒸镀设有图案In、Sn、Ga金属或合金膜，金属或合金膜厚度在5‑500纳米，根据需要进行或不进行光刻加工引导沟道；２）将上述衬底放置PECVD系统，在温度150℃‑500℃，尤其是150‑250℃的腔室温度中使用2W‑20W的氢气等离子体处理样品，使得金属层转变为直径范围30~2000纳米直径的催化液滴；催化液滴的直径通过金属层的厚度以及氢气处理的时间以及功率来调控；4）沉积前驱体介质层，在PECVD系统中，首先沉积一层5－500纳米厚第一种半导体材料，起码再沉积一层5－500纳米厚第二种半导体材料，形成异质叠层非晶层供给层用做前驱体介质层， PECVD系统温度

【技术特征摘要】
1.一种利用叠层非晶前驱体层制备异质或合金半导体纳米线的方法，其特征在于，步骤如下，1）在单晶硅、玻璃、SOI、蓝宝石、石英或柔性金属薄膜和聚合物衬底上，蒸镀设有图案In、Sn、Ga金属或合金膜，金属或合金膜厚度在5-500纳米，根据需要进行或不进行光刻加工引导沟道；２）将上述衬底放置PECVD系统，在温度150℃-500℃，尤其是150-250℃的腔室温度中使用2W-20W的氢气等离子体处理样品，使得金属层转变为直径范围30~2000纳米直径的催化液滴；催化液滴的直径通过金属层的厚度以及氢气处理的时间以及功率来调控；4）沉积前驱体介质层，在PECVD系统中，首先沉积一层5－500纳米厚第一种半导体材料，起码再沉积一层5－500纳米厚第二种半导体材料，形成异质叠层非晶层供给层用做前驱体介质层，PECVD系统温度<200℃；5）在真空中或者还原性、惰性气氛中退火，温度在150℃-650℃，催化金属颗粒激活后开始吸收异质叠层非晶层材料，并析出第一种的半导体材料与第二种半导体材料富集岛的纳米线。2.根据权利要求1所述的纳米线的制备方法，其特征在于，第一种半导体材料为5－500纳米非晶锗层，再沉积第二种半导体材料为5－500纳米非晶硅层；在真空中或者还原性、惰性气氛中退火温度在250-600℃，催化金属颗粒激活后开始吸收非晶锗、硅多层结构，并析出锗富集岛状平面硅锗纳米线或称硅锗异质结纳米线。3.根据权利要求2所述的纳米线的制备方法，其特征在于，步骤2）沉积叠多层非晶锗层、非晶硅层；多层交替或夹层等复合非晶层结构用作前驱体；第一或二种半导体材料组分富集区既是半导体材料，或是硼、磷等掺杂的半导体材料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，赵耀龙，王军转，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32