硅基III-V族纳米线选区横向生长及其高迁移率3D晶体管研究

Silicon-based horizontal III-V channel high electron mobility transistors (HEMT) are very suitable for high-speed logic circuit fabricated by planar semiconductor processing. In(Ga)As material is one of highest-mobility III-V group materials with narrow band. Furthermore, In(Ga)As nanowires are able to grow on lattice-mismatched silicon substrate without dislocations. Silicon-based horizontal In(Ga)As nanowire HEMT is a promising novel device as a building block for the integrated circuit chip with low cost, low power and high speed. In this project, a novel selective-area growth of lateral In(Ga)As nanowires on Silicon-on- Insulator (SOI) material will build up a horizontal bridge between silicon nanowire sidewalls. Then, multigate silicon-based In(Ga)As nanowire three-dimensional (3D) transistors will be fabricated after covering the dielectric layer and depositing metal electrodes. Finally, the device properties will be systematically improved by C-V, I-V and mobility measurements.As a goal, the current ratio Ion/Ioff is larger than 1000,and subthreshold slope is less than 100mV/dec.The silicon-based In(Ga)As nanowire HEMTs are able to apply in the fields of THz photon detection, high-sensitive gas sensor and optoelectronic response.

硅基III-V族材料水平沟道高迁移率晶体管非常适合基于平面工艺的高速逻辑电路发展需求。In(Ga)As材料是电子迁移率最高的窄带系III-V族半导体材料之一，并且In(Ga)As纳米线在硅衬底上能够克服大的晶格失配实现高晶体质量生长，因此硅基横向In(Ga)As纳米线结构晶体管可为低成本、低功耗、高速的集成电路芯片提供新的构造途径。本项目提出在SOI材料上利用一种新的侧壁图形选区横向生长技术实现硅纳米线与In(Ga)As纳米线的异质结桥接结构。在此基础上，完成In(Ga)As纳米线的介质层保护和电极结构的制备，制作出金属多栅结构硅基In(Ga)As纳米线高迁移率3D晶体管。最后，通过对器件的C-V特性、伏安特性、迁移率等参数的电学性能研究，实现器件开关电流比大于1000，亚阈值摆幅小于100mV/dec。硅基In(Ga)As纳米线晶体管能够用于THz光子探测、高灵敏度气体传感以及光电响应。

依照摩尔定律，集成电路晶体管的数目已经成倍增加，高密度的晶体管在工作时会产生大量功耗，散发的热量严重影响了芯片的性能。具有高电子迁移率的III-V族半导体材料可以有效降低功耗。研究表明，在硅衬底上生长III-V族纳米线可以有效地降低失配位错的密度。 因此，制备硅基III-V族纳米线沟道晶体管，对于高速、低功耗的器件的发展具有重要意义。. 本项目创造性地提出了在绝缘层上硅薄层（SOI）图形衬底上选区横向生长III-V族纳米线的制备方案。利用电子束直写曝光、干法刻蚀SiO2层以及化学腐蚀等技术，在厚度为88 nm 的SOI衬底顶层硅上制备出具有垂直(111)晶面的叉指结构图形衬底。然后，利用MOCVD在相对的两个垂直光滑的(111)晶面之间横向生长InAs纳米线。由于SOI硅薄层的厚度限制，使得InAs纳米线在垂直(111)晶面侧壁上选区水平生长出单根阵列的桥接异质结结构，其中InAs纳米线的最小直径约为70-80 nm。在此基础上，完成了SOI图形衬底横向InAs纳米线阵列的金属栅氧化物半导体场效应晶体管制备工艺，获得了器件低温及室温电学特性曲线。. 研究结果表明，由于InAs纳米线具有丰富的表面态，使得费米能级钉扎效应显著影响器件的开关特性。未经过表面钝化的InAs纳米线器件在低温下可以表现出量子限制效应，而经过表面钝化的器件可以实现室温良好的开关性能。室温时，阈值电压为1.31 V，亚阈值摆幅为450 mV/dec，关态电流为10 pA，开关电流比超过100000。硅基选区横向外延III-V族纳米线方法非常适合制造复杂的硅基III-V族集成高速芯片，符合新一代硅基纳米电子学的发展方向。