III-V族半導(dǎo)體納米線憑借其獨特的準(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器等方面有著重要潛在應(yīng)用，是當(dāng)前國際研究的熱點。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器的理想材料。目前，國際上廣泛采用外來Au催化的氣-液-固(VLS)機制制備納米線，但Au催化劑能在半導(dǎo)體材料中形成深能級復(fù)合中心，這將大大降低器件的性能。因此，發(fā)展無Au催化納米線的制備技術(shù)尤為重要。此外，目前無外來催化含In的化合物納米線生長機制存在爭議，主要集中在In液滴自催化的VLS和應(yīng)力驅(qū)動的氣-固(VS)兩種生長機制上。

最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室研究員楊濤課題組在InAsSb納米線制備及機理研究方面取得系列進展。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組分對納米線生長的影響。特別是他們發(fā)現(xiàn)在InAs納米線生長過程中引入少量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，他們還發(fā)現(xiàn)InAsSb納米線的生長機制隨生長參數(shù)變化而變化，在低Ⅴ/Ⅲ比和高Sb流量比下，納米線是通過VLS機制進行生長;而在高Ⅴ/Ⅲ比和低Sb流量比下，納米線則是以VS機制進行生長，這一發(fā)現(xiàn)為利用生長參數(shù)調(diào)控InAsSb納米線生長機制奠定了基礎(chǔ)。此外，兩種機制的納米線在形貌、生長方向和晶體質(zhì)量方面顯著不同(圖2)。VS機制納米線方向統(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相互垂直的方向生長;在(110)襯底上沿六個夾角為54.7°或70°的方向生長;而在(111)襯底上納米線沿六個等價的60°方向角生長。將(111)晶向族分別在上述三個平面內(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襯底可實現(xiàn)對平面納米線生長方向的調(diào)控。同時，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)合熱動力學(xué)理論，他們很好地解釋了這些平面納米線生長規(guī)律。方向可空的平面納米線易與現(xiàn)代CMOS工藝兼容，這為未來制備高度集成的III-V族納米器件開拓了新的技術(shù)路線。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Lett. 2016, 16 (2), 877–882。

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

(關(guān)鍵字：銻化物)