Nano Lett.：納米界的夾心—InAs(Sb) / GaSb核殼納米線的MOCVD選區生長和載流子傳輸型控制

大黑天 7年前 (2016-12-13) 3366瀏覽

【引言】

由于熱載流子注入效應，常溫下，要使傳統金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOS-FETs）的亞閾值擺幅（SS）低于60mV/ decade是比較困難的。不過，基于帶帶隧穿機制，隧道場效應晶體管（TFETs）可以很好的突破限制，實現低于60mV/ decade的亞閾值擺幅。也正因如此，TFETs有望為新一代低功率且高速的電子設備效力。

在III?V型材料中，InAs和GaSb載流子遷移速度快，同時，兩者構成的異質結晶格失配率非常低，還有獨特的II型能帶排列，因此，InAs-GaSb異質結非常適于制備TFETs。其中，InAs / GaSb核殼納米線形態更適于該領域。要說最大的挑戰，則在于InAs / GaSb核殼納米線的制備。目前，這類納米線主要在Au催化顆粒下輔助生長，但Au卻會影響III?V型納米線的性能，以致于在Si帶隙中出現并不需要的復合中心。對于無Au合成的方法目前鮮有報道，基于自組裝機制合成也在研究之中，因此仍然需要探討新方法，來獲得高質量的InAs / GaSb核殼納米線。

【成果簡介】

中科院半導體研究所楊濤研究員（通訊作者）等人報道了一種無需催化劑，在Si基底利用MOCVD實現高質量InAs(Sb) / GaSb核殼納米線選區生長的制備方法。透射電子顯微鏡（TEM）分析表明，GaSb殼的生長與InAs(Sb)核的生長高度協調一致，且沒有出現不適位錯。為控制自催化的InAs核納米線的結構性質并降低面缺陷，在納米線生長過程中，可加入微量的Sb進行調控。同時，電學測量結果也顯示，n型的InAs(Sb)核與p型的GaSb殼均可作為傳輸通道的活性載體，而核殼納米線的傳輸型則可通過調節GaSb殼的厚度和背柵電壓來實現。

【圖文導讀】

圖一、InAs / GaSb核殼納米線生長圖示

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InAs / GaSb核殼納米線的選區生長示意圖及為納米線生長的源極列

圖二、納米線的形貌及尺寸表征

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(a) InAs的30斜角SEM圖。

(b) InAs / GaSb核殼納米線的30斜角SEM圖。

(c) InAs（紅色柱狀圖）及InAs / GaSb核殼納米線（藍色柱狀圖）的直徑分布。

圖三、InAs / GaSb核殼納米線的形貌和結構表征

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(a) InAs / GaSb核殼納米線的低倍TEM圖。

(b) (a)圖紅線所示的EDS線掃描圖譜。

(c) InAs / GaSb核殼納米線沿<211>晶帶軸獲得的HRTEM圖。

(d) (c)圖示藍色邊框區域的快速傅里葉逆變換（IFFT）圖。

(e) InAs / GaSb核殼納米線頂端HRTEM圖。

(f) (e)圖藍色選區的IFFT圖。

紅色虛線表明了(c, d)圖中InAs核與GaSb殼的分界面。(c, e)的內嵌圖分別為綠色選區的FFT圖。

圖四、不同Sb摻率的InAs1-xSbx表征

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不同Sb摻雜含量的InAs1-xSbx的HRTEM圖：

(a) 0%，(b) 4.6%，(c) 6.8%，(d) 7.9%，(e) 9.4%。

(f) 隨Sb含量增加，納米線的缺陷密度變化。

圖五、不同Sb摻率的InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線表征

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(a, d, g) 分別為Sb含量6.8%(a)，7.9%(d)，9.4%(g)時，InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線的30斜角SEM圖。

(b, e, h) 和 (c, f, i) 分別為相應(a, d, g)Sb含量InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線在<211>晶帶軸和<110>晶帶軸的HRTEM圖。

內嵌圖為相應HRTEM圖的FFTs圖。

圖六、InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線的電學表征

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(a) 單個納米線背柵FET的示意圖及設備的俯視SEM圖。

(b-d) 不同施加電壓（Vds=50-200 mV，以50mV逐級改變）下，InAs1-xSbx 和GaSb殼厚度大約在6nm和13nm時InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線FETs的傳輸特性。

【小結】

本文首次報道了利用MOCVD進行無外來催化劑的InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線在Si基底上的選區生長，從TEM形貌表征及電學測試來看，這種方式獲得的InA(Sb) / GaSb核殼納米線結構均一，缺陷較少，且其電學性能實現可控。這項研究也擴寬了利用Sb摻雜進行納米線晶相控制的理解，同時這種原生生長的高質量InAs1-xSbx / GaSb核殼納米線在未來納米線基設備及基礎量子物理研究方面都有著很好的應用前景。

文獻鏈接：Selective-Area MOCVD Growth and Carrier-Transport-Type Control of InAs(Sb)/GaSb Core?Shell Nanowires（Nano Lett.，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b03429）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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