III-V族半導(dǎo)體納米線憑借其獨(dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)和物理特性在納米晶體管、納米傳感器和納米光電探測(cè)器等方面有著重要潛在應(yīng)用，是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)。特別是，三元合金InAsSb納米線除了具有超高的載流子遷移率和極小的有效質(zhì)量外，其可調(diào)的帶隙以及電、光學(xué)性能使其成為紅外探測(cè)器的理想材料。目前，國(guó)際上廣泛采用外來(lái)Au催化的氣-液-固(VLS)機(jī)制制備納米線，但Au催化劑能在半導(dǎo)體材料中形成深能級(jí)復(fù)合中心，這將大大降低器件的性能。因此，發(fā)展無(wú)Au催化納米線的制備技術(shù)尤為重要。此外，目前無(wú)外來(lái)催化含In的化合物納米線生長(zhǎng)機(jī)制存在爭(zhēng)議，主要集中在In液滴自催化的VLS和應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的氣-固(VS)兩種生長(zhǎng)機(jī)制上。

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊濤課題組在InAsSb納米線制備及機(jī)理研究方面取得系列進(jìn)展。博士生杜文娜等首次在Si襯底上制備出高質(zhì)量的垂直InAsSb納米線，并詳細(xì)研究了Sb組分對(duì)納米線生長(zhǎng)的影響。特別是他們發(fā)現(xiàn)在InAs納米線生長(zhǎng)過(guò)程中引入少量Sb，可以大大改善InAs納米線的均勻性和晶體質(zhì)量(圖1)，這將對(duì)制備高性能納米線器件具有重要意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Cryst. Growth 396 (2014) 33–37。

同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)InAsSb納米線的生長(zhǎng)機(jī)制隨生長(zhǎng)參數(shù)變化而變化，在低Ⅴ/Ⅲ比和高Sb流量比下，納米線是通過(guò)VLS機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng);而在高Ⅴ/Ⅲ比和低Sb流量比下，納米線則是以VS機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)，這一發(fā)現(xiàn)為利用生長(zhǎng)參數(shù)調(diào)控InAsSb納米線生長(zhǎng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。此外，兩種機(jī)制的納米線在形貌、生長(zhǎng)方向和晶體質(zhì)量方面顯著不同(圖2)。VS機(jī)制納米線方向統(tǒng)一、組分均勻，有利于發(fā)展低成本集成器件;而VLS機(jī)制納米線晶體質(zhì)量高，更有利于制備單根高性能納米線器件。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Cryst.GrowthDes. 2015,15,2413−2418。

此外，課題組首次發(fā)現(xiàn)在不同取向的Si襯底上可以生長(zhǎng)出不同形貌分布的平面InAsSb納米線(圖3)。在(100)襯底上納米線沿四個(gè)相互垂直的方向生長(zhǎng);在(110)襯底上沿六個(gè)夾角為54.7°或70°的方向生長(zhǎng);而在(111)襯底上納米線沿六個(gè)等價(jià)的60°方向角生長(zhǎng)。將(111)晶向族分別在上述三個(gè)平面內(nèi)投影后發(fā)現(xiàn)投影的數(shù)目和夾角與上述平面納米線在三種襯底上的分布完全相同。因此，利用不同取向的Si襯底可實(shí)現(xiàn)對(duì)平面納米線生長(zhǎng)方向的調(diào)控。同時(shí)，高分辨透射電鏡圖像顯示這些平面納米線具有純立方相結(jié)構(gòu)。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)理論，他們很好地解釋了這些平面納米線生長(zhǎng)規(guī)律。方向可空的平面納米線易與現(xiàn)代CMOS工藝兼容，這為未來(lái)制備高度集成的III-V族納米器件開(kāi)拓了新的技術(shù)路線。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Lett. 2016, 16 (2), 877–882。

該工作得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的經(jīng)費(fèi)支持。

(關(guān)鍵字：銻化物)