高品质GaSb、GaAsSb纳米线在Si上分子束外延定向生长

Semiconductor nanowires are regarded as a kind of important material to continue the remarkable successes of traditional microelectronics. As a near narrow band-gap semiconductor, GaSb is an important optoelectronic material and has potential applications in p-type high speed electronic devices. This project aims at the fabrication of unidirectional, high-quality, Ga-catalyzed GaSb semiconductor nanowires and GaAsSb ternary compound semiconductor nanowires over the entire As compositional range (0-100%) using molecular beam epitaxy. A comprehensive characterization will be performed for these nanowires including the morphological, structural, optical and electrical properties. We also plan to investigate the compositional influence of the GaAsSb on the material properties and electronic structures and explore the performance of the field-effective transistor with GaSb nanowire as the channel material. Through the controllable fabrication process for GaSb and GaAsSb nanowires along with the characterizations and measurements, we attempt to obtain the connection between preparation condition, structure, physical properties and device performance. It is expected to be helpful for the rational synthesis of GaSb and GaAsSb nanowires, providing a physical and technical guidance for future GaSb - and GaAsSb - based high-performance devices.

半导体纳米线赋予传统的半导体材料新的生机，被认为是可以延续微电子学发展步伐的重要材料。作为一种独特的近窄禁带半导体，GaSb是一种重要的光电材料，在p型高速电子器件中有潜在的应用价值。本项目拟通过分子束外延技术在Si(111)衬底上外延定向生长Ga液滴催化的高品质GaSb半导体纳米线及As组分在0-100%内完全可调控的GaAsSb三元化合物半导体纳米线；对其形貌与结构特征、光学与电学性质等进行表征；研究GaAsSb纳米线组分对其材料性质与电子能带结构的影响；探索研制以GaSb纳米线为沟道的场效应晶体管。通过可控的纳米线生长工艺，结合结构表征和性能测量手段，获得GaSb以及GaAsSb纳米线的制备条件与结构、物理性质和器件性能之间的关系，最终达到可以调控制备GaSb和GaAsSb纳米线的程度，以便得到所需要的器件参数，为基于GaSb和GaAsSb纳米线的高性能器件提供物理原理和技术指导。

半导体纳米线赋予传统的半导体材料新的生机，被认为是可以延续微电子学发展步伐的重要材料。作为一种独特的近窄禁带半导体，GaSb是一种重要的光电材料，在p型高速电子器件中有潜在的应用价值。本项目利用分子束外延技术在Si(111)衬底上外延定向生长了Ga液滴催化的高品质GaSb半导体纳米线及近全组分可调控的GaAsSb三元合金半导体纳米线；对其形貌与结构特征、光学与电学性质等进行了表征；研究了GaAsSb纳米线组分对其材料性质与电子能带结构的影响；研制了以GaAsSb纳米线为沟道的场效应晶体管。通过可控的纳米线生长工艺，结合结构表征和性能测量手段，获得了GaSb以及GaAsSb纳米线的制备条件与结构、物理性质和器件性能之间的关系，最终达到了调控制备GaSb和GaAsSb纳米线的程度，为后续研制基于GaSb和GaAsSb纳米线的高性能器件提供了物理原理和技术指导。本项目取得的重要结果如下：（1）采用分子束外延技术，利用两步生长方法有效扩大了Si衬底上GaAs纳米线的生长温度范围。这是在相关工作中第一次关于Ga催化GaAs纳米线的生长温度这一重要晶体生长参数的深度研究，而之前由于一步生长法的限制，GaAs纳米线只能生长在一个很窄的温度范围。在此基础上，我们利用Ga催化率先制备了GaAs/GaSb轴向异质结纳米线，并且通过掺入适当As，合成了组分可调的GaAs/GaAsSb轴向异质结纳米线，使能带工程在GaAsSb纳米线中得到应用。相关成果发表在Nanoscale 8, (2016) 10615上，并被选作该期封底。（2）利用分子束外延技术通过调控Sb、As源炉束流以及生长室As蒸汽压的大小，国际上率先在Si衬底及GaAs纳米线上制备出了近全组分可调的GaAsSb纳米线。近全组分可调高质量GaAsSb纳米线的成功制备，有望加速GaAsSb三元合金纳米线能带工程在下一代近红外发光二极管、激光器及光纤通讯等方面的应用。该文章已发表在《纳米快报》上[Nano Lett. 17, (2017) 622]。