Advanced Materials:从自发到可控—平面纳米线生长、集成和器件应用

准一维半导体纳米线(Semiconductor Nanowires)是开发新一代高性能电子器件最理想、最方便的构建单元,也是构建超高效光电探测调控和新颖微纳机电器件的关键基础。相比于传统“自上而下”的刻蚀制备工艺,自组装生长半导体纳米线结构在尺寸调控、制备成本和三维形貌等方面有着显著的优势,近年来在高性能逻辑、生物传感和柔性显示等新兴应用领域中广受关注。然而,如何在主流平面工艺框架中,实现自组装半导体纳米线的精准定位和规模集成,一直是巨大的技术挑战–被当今学术界广泛认为是突破和推广纳米线技术应用的“最后一个技术障碍”。

聚焦于平面纳米线生长、集成和器件应用的研究进展,南京大学课题组近期在《Advanced Materials》上发表了题为Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires 的综述文章(Advanced Materials 31, 1903945 (2019),DOI:10.1002/adma.201903945,文章通信作者为余林蔚教授和徐骏教授)。

文章首先介绍了三种平面纳米线生长集成技术方案:

1) 基于传统VLS生长模式和预设表面沟槽实现的限制纳米线平面引导生长,可获得位置、直径和形貌都可控的1D纳米线沟道。然而,面向规模化器件应用,如何高效制备微纳孔洞阵列并使之在平面上精确定位,依然还有巨大的技术挑战;

2) 基于VLS生长模式,利用晶体衬底本身的晶格外延方向实现同质/异质定向引导。在晶态衬底(蓝宝石或者晶硅等)上实现了对各种III-V族、硅锗、金属氧化物以及钙钛矿纳米线的平面引导生长,为规模制备纳米线光电探测、电子逻辑和存储器件提供了关键的生长技术;

3)基于一种平面”固-液-固”(In-Plane-Solid-Liquid-Solid, IPSLS)生长机制,利用非晶薄膜作为前驱体,将金属催化液滴限制于平面中,生长出自回避、不交叉的平面半导体纳米线。基于此还可以方便地实现平面同质/异质定向外延生长,以及利用简单台阶边缘对纳米线进行精准定位引导。可在大面积衬底上规模制备精准的位置和形貌调控。

此外,文章还进一步回顾和讨论了在平面框架中实现对纳米线掺杂、组分和直径周期性调控的新机遇和新技术。介绍了基于 “强生长界面相互作用”实现的超朔形能力,及基于液滴微纳动态调控获得的自发相分离超晶格纳米线结构。最后,文章介绍了基于平面纳米线生长、集成技术所实现的场效应晶体管、光电探测和电子逻辑等器件,及其在可拉伸电子和三维集成方向的巨大应用潜力。