[发明专利]一种核壳异质结构锗硅纳米线及其可控制备方法和应用

说明书

本发明公布了一种核壳异质结构锗硅纳米线及其可控制备方法和应用，采用高精度的电子束光刻和干法刻蚀来定义纳米线的位置和大小，避免了传统生长法中的随机成核生长的问题；本发明引入了高温氧化硅使硅纳米线缩小的办法，实现了锗硅纳米线横向尺寸的进一步缩小；通过调节锗/硅沉积速率比的办法，可实现锗组分在0～100％的范围内任意调节，硅的沉积速率越快，锗的组分越低；反之，锗的组分越高；本发明提供的核壳异质结构锗硅纳米线的可控制备方法具有可控性好、工艺步骤简单、可重复性高等优点，在半导体制造领域中的纳米线无结晶体管器件、硅基发光器件、单电子器件器件等方向有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体器件纳米加工技术领域，尤其涉及一种核壳异质结构锗硅纳米线及其可控制备方法和应用。

背景技术

锗硅纳米线具有二维量子限制的纳米尺度结构，在近些年来逐渐成为集成光电子领域的研究热点。锗硅纳米线具有独特的通讯波段的光发射和光吸收特性、具有量子限制效应、库伦阻塞效应、良好的载流子迁移率以及能与CMOS工艺兼容等优点，拥有十分广阔的应用前景。例如，锗硅纳米线可以用来制作片上集成光源、光探测器和单电子晶体管，还可以用来制作无结纳米线晶体管、集成阵列传感器等未来集成光电子领域的关键器件。

传统锗硅纳米线的制备是依靠气相外延沉积法制备的。在纳米金颗粒的催化下，通过控制通入硅烷和锗烷的配比和反应温度来实现纳米线的生长。其特点是纳米线的截面尺寸由金颗粒的大小决定，能实现高质量的锗硅多层嵌套的同轴异质纳米线结构。这种锗硅纳米线一般是垂直向上生长，生长方向和位置往往比较随机，因此生长出来的锗硅纳米线不易与半导体微纳加工的平面工艺兼容。

总之，现有的锗硅纳米线的生长制备工艺虽然均发展的比较成熟，却并不能实现锗硅纳米线的完全可控制备，不能精确的控制每一根纳米线的位置、大小和组分等关键参数，给基于锗硅纳米线的半导体器件的加工带来了很大的工艺难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种核壳异质结构锗硅纳米线的可控制备方法，能够精确控制纳米线的大小和位置，有效缩小横向尺寸和提高锗组分，可控性好，工艺步骤简单，重复性高，方便精确制备基于锗硅纳米线的半导体器件。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种核壳异质结构锗硅纳米线的可控制备方法，其包括以下步骤，

a.清洗硅衬底；

b.在硅衬底表面涂覆一层电子抗蚀剂，通过电子束光刻技术在电子束抗蚀剂上曝光所需的硅纳米线结构图形；

c.采用干法刻蚀将硅纳米线结构图形转移到硅衬底上得到样品；

d.去除样品上残留的电子抗蚀剂；

e.氧化和退火，使得氧气与硅反应形成氧化硅；

f.除去步骤e中经氧化形成的氧化硅，使硅纳米线中间部分悬空，清洗样品；

g.在步骤f得到的硅纳米线外包裹一层锗硅合金，形成锗硅纳米线核壳异质结构；

h.除去埋氧层上沉积的锗硅合金，得到核壳异质结构锗硅纳米线。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤a中采用SOI硅衬底，其从下到上包括硅基底、埋氧层和顶层硅三层结构。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤b中的电子抗蚀剂采用SAL601、HSQ、PMMA或ZEP520。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤b中的硅纳米线结构图形横截面形状呈中间细、两端粗的杠铃形。