Nano Lett.：纳米界的夹心—InAs(Sb) / GaSb核壳纳米线的MOCVD选区生长和载流子传输型控制

大黑天 8年前 (2016-12-13) 4136浏览

【引言】

由于热载流子注入效应，常温下，要使传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FETs）的亚阈值摆幅（SS）低于60mV/ decade是比较困难的。不过，基于带带隧穿机制，隧道场效应晶体管（TFETs）可以很好的突破限制，实现低于60mV/ decade的亚阈值摆幅。也正因如此，TFETs有望为新一代低功率且高速的电子设备效力。

在III−V型材料中，InAs和GaSb载流子迁移速度快，同时，两者构成的异质结晶格失配率非常低，还有独特的II型能带排列，因此，InAs-GaSb异质结非常适于制备TFETs。其中，InAs / GaSb核壳纳米线形态更适于该领域。要说最大的挑战，则在于InAs / GaSb核壳纳米线的制备。目前，这类纳米线主要在Au催化颗粒下辅助生长，但Au却会影响III−V型纳米线的性能，以致于在Si带隙中出现并不需要的复合中心。对于无Au合成的方法目前鲜有报道，基于自组装机制合成也在研究之中，因此仍然需要探讨新方法，来获得高质量的InAs / GaSb核壳纳米线。

【成果简介】

中科院半导体研究所杨涛研究员（通讯作者）等人报道了一种无需催化剂，在Si基底利用MOCVD实现高质量InAs(Sb) / GaSb核壳纳米线选区生长的制备方法。透射电子显微镜（TEM）分析表明，GaSb壳的生长与InAs(Sb)核的生长高度协调一致，且没有出现不适位错。为控制自催化的InAs核纳米线的结构性质并降低面缺陷，在纳米线生长过程中，可加入微量的Sb进行调控。同时，电学测量结果也显示，n型的InAs(Sb)核与p型的GaSb壳均可作为传输通道的活性载体，而核壳纳米线的传输型则可通过调节GaSb壳的厚度和背栅电压来实现。

【图文导读】

图一、InAs / GaSb核壳纳米线生长图示

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InAs / GaSb核壳纳米线的选区生长示意图及为纳米线生长的源极列

图二、纳米线的形貌及尺寸表征

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(a) InAs的30斜角SEM图。

(b) InAs / GaSb核壳纳米线的30斜角SEM图。

(c) InAs（红色柱状图）及InAs / GaSb核壳纳米线（蓝色柱状图）的直径分布。

图三、InAs / GaSb核壳纳米线的形貌和结构表征

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(a) InAs / GaSb核壳纳米线的低倍TEM图。

(b) (a)图红线所示的EDS线扫描图谱。

(c) InAs / GaSb核壳纳米线沿<211>晶带轴获得的HRTEM图。

(d) (c)图示蓝色边框区域的快速傅里叶逆变换（IFFT）图。

(e) InAs / GaSb核壳纳米线顶端HRTEM图。

(f) (e)图蓝色选区的IFFT图。

红色虚线表明了(c, d)图中InAs核与GaSb壳的分界面。(c, e)的内嵌图分别为绿色选区的FFT图。

图四、不同Sb掺率的InAs1-xSbx表征

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不同Sb掺杂含量的InAs1-xSbx的HRTEM图：

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

(f) 随Sb含量增加，纳米线的缺陷密度变化。

图五、不同Sb掺率的InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线表征

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(a, d, g) 分别为Sb含量6.8%(a)，7.9%(d)，9.4%(g)时，InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线的30斜角SEM图。

(b, e, h) 和 (c, f, i) 分别为相应(a, d, g)Sb含量InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线在<211>晶带轴和<110>晶带轴的HRTEM图。

内嵌图为相应HRTEM图的FFTs图。

图六、InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线的电学表征

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(a) 单个纳米线背栅FET的示意图及设备的俯视SEM图。

(b-d) 不同施加电压（Vds=50-200 mV，以50mV逐级改变）下，InAs1-xSbx 和GaSb壳厚度大约在6nm和13nm时InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线FETs的传输特性。

【小结】

本文首次报道了利用MOCVD进行无外来催化剂的InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线在Si基底上的选区生长，从TEM形貌表征及电学测试来看，这种方式获得的InA(Sb) / GaSb核壳纳米线结构均一，缺陷较少，且其电学性能实现可控。这项研究也扩宽了利用Sb掺杂进行纳米线晶相控制的理解，同时这种原生生长的高质量InAs1-xSbx / GaSb核壳纳米线在未来纳米线基设备及基础量子物理研究方面都有着很好的应用前景。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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