[发明专利]硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。

背景技术

III-V族材料不仅具有极为突出的光电性能，而且在载流子迁移率方面具有明显的优势。与纯硅相比，GaAs材料的载流子迁移率比纯硅高8倍左右，InGaAs材料的载流子迁移率高13倍左右，InAs材料的载流子迁移率可高达33倍左右，InSb化合物材料的载流子迁移率则可达到50倍以上。其中，InGaAs材料的表面导带存在钉扎能级，使表面形成一层二维电子气，较小带隙的InGaAs能够与硅材料形成电子透过率非常好的异质结接触。将III-V族半导体材料集成到大面积的硅衬底上制备晶体管，并实现硅工艺兼容，对于低成本低功耗快速高效的器件发展方向具有重要意义。

高质量的III-V族纳米线不需要缓冲层就可以无位错生长在晶格失配较高的硅衬底上。这是因为III-V族纳米线结构与硅衬底接触面积小，而且可以从纳米线上表面和侧面两个维度释放晶格失配应力和热失配。利用金纳米颗粒催化剂辅助的气-液-固相(VLS)生长技术可以在硅衬底上获得小晶格失配的III-V族纳米线。VLS技术将气体反应物溶于金属颗粒催化剂(如Au)液滴，在液固界面生长为固体纳米线。金属颗粒降低了反应活化能，促使液滴在纳米颗粒的某个方向上生长速度大大提高，液滴的直径决定了纳米线的最小直径。

然而，虽然Au颗粒催化剂可以控制纳米线生长速度和尺寸，但熔化的Au液滴会在III-V族纳米线材料内形成深能级并在表面迁移，从而极大影响纳米线的电学性能。同时，Au颗粒对生长设备腔体造成一定污染。因此，寻求一种新型的选区外延生长方法成为业内亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法，以实现在硅基底水平方向上无金属催化有序生长高晶体质量的III-V族纳米线，提升纳米线的电学性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。该方法包括：步骤A，在(110)晶面SOI衬底的顶硅薄层上制备整段硅纳米线；步骤B，去除整段硅纳米线的中段部分，在保留的左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面；以及步骤C，在左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向选区生长III-V族材料纳米线，形成异质结桥接结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法具有以下有益效果：

(1)利用硅(111)晶面有较高的悬挂键密度和较低的表面自由能的特性，可以低成本实现III-V族纳米线在两段硅纳米线之间硅(111)晶面侧壁上的选区横向生长；

(2)通过控制左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧端面的硅(111)晶面的选择生长区直径，还可以实现III-V族纳米线的无位错生长。

附图说明

图1为本发明实施例硅基III-V族纳米线选区横向外延生长方法的流程图；

图2A至图2C为图1所示方法中执行各步骤之后器件的结构示意图，其中：

图2A为执行步骤A之后器件的结构示意图；

图2B为执行步骤B之后器件的结构示意图；

图2C为执行步骤C之后器件的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10-左硅电导平台；

20-右硅电导平台；

30-硅纳米线；

31-左段硅纳米线；          32-右段硅纳米线；

33-III-V族材料纳米线；     34-Al₂O₃介质膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。