报道电子学院余林蔚教授,报道电子学院余林蔚教授课题组在柔性晶硅宏量制备

亚洲城官网,在异质衬底上外延生长晶硅薄膜层是高性能空间电子、面向移动通讯和微波电子器件的关键核心技术。同时,基于绝缘衬底上的高品质晶硅薄层(即silicon-on-insulator,
SOI结构)可以大幅降低高速电子器件中电路与衬底之间的寄生电容,从而获得更高的操作速度和更低的功耗。另外,使用绝缘的衬底还能直接省略传统CMOS器件中的隔离区,从而大大提高器件的集成度。基于以上考虑,在R-plane蓝宝石衬底上生长晶硅外延层(即silicon-on-sapphire,SoS)技术,一直以来,在各种极端高性能条件下的电子器件以及高功率通讯领域具有非常重要的应用。然而,传统的SoS制备工艺需要高温(>900oC)的CVD淀积和退火再晶化工艺。由于晶硅和蓝宝石衬底之间具有较大的热膨胀系数适配(晶硅的仅为蓝宝石的二分之一),高温制备工艺后的冷却过程中会引入大量的晶格缺陷,从而严重地限制了SoS的大规模可靠制备。由于大多数SoS电子器件,以及基于SoS制备的近-中红外光波导等,最终需要的仅仅是准一维硅纳米沟道结构,所以从工艺流程的角度看,也需要研发一种一步到位的纳米线沟道直写技术,从而规避受应力和晶格适配限制制约的传统平面-刻蚀-纳米沟道SoS技术工艺挑战。

晶体硅是建立现代微电子技术和发展信息社会的基础材料。然而,其坚硬和脆性的本质使其无法直接适应于日益兴起的柔性可穿戴/显示,仿生电子和可拉伸人造皮肤等新型器件应用。即便是准一维的晶硅纳米线,也仅仅获得了增强的可弯曲特性,依然难以实现足够的可拉伸特性(如>30%以上)。如何将现有最为成熟的晶硅技术拓展到超柔性和可拉伸电子应用中,以继承晶硅的高迁移率、高稳定性和完备掺杂钝化工艺,正在成为国际相关领域研究的热点。为此,国际上多个科研团队尝试了纳米沟道限制、生长气氛调控和应力塑形等各种方法,通过对晶硅纳米线的线形调控,使之成为可拉伸的半导体纳米线弹簧(nanowire
spring)沟道。然而,受限于苛刻的微纳操纵、生长条件以及所昂贵电子束刻蚀工艺,至今还没有一种可在大面积衬底上可靠制备形貌可编程的晶硅纳米线阵列技术。

为了寻求新的突破思路解决以上限制SoS器件应用的关键问题,南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授、徐骏教授课题组,首次提出并展示了一种在R-plane蓝宝石衬底上直接低温异质外延生长自定向排列的晶硅纳米线技术。利用实验室自主创新的平面纳米线生长手段,仅需要在350oC左右的工艺温度条件下,就可以在蓝宝石衬底上实现晶硅纳米线的定向生长。还进一步研究了其中本征的晶格适配对纳米线生长方向,应力和晶格质量的影响,首次揭示了其中十分新颖的底面成核-侧向融合生长模式,并提出了一套较为完善的平面纳米线异质外延生长的动力学模型。最后,基于绝缘衬底上的异质外延纳米线沟道制备并验证了其在高迁移率SoS-FET器件。值得一提的是,此项异质外延晶硅纳米线沟道的技术突破不仅大大降低了SoS制备中的温度和工艺复杂程度,更预示着一种金属液滴辅助下可控自组织SoS纳米线直写技术的全新思路和方案。这为发展未来高性能、极端性能大规模通讯电子器件奠定了一个核心技术基础。

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图1. 可编程平面晶硅纳米线生长、可编程线形调控和可拉伸电子器件

本项研究成果论文,Heteroepitaxial Writing of Silicon-on-Sapphire
Nanowires(异质外延SoS直写纳米线)发表在Nano Letters DOI:
10.1021/acs.nanolett.6b02004之上。论文的第一作者为博士生许明坤同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和徐骏教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的施毅教授、陈坤基教授以及法国巴黎综合理工/CNRS,LPICM实验室Pere
Roca i
Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到青年千人计划,国家基础研究973课题,国家自然科学基金,江苏杰出青年基金,江苏省自然科学基金,双创人才计划和江苏省333高层次人才培养工程项目的资助。

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组,通过与北京大学和巴黎综合理工大学课题组的合作,首次提出了一种精确“定位、定向、定形”的平面纳米线形貌调控技术,可在大面积玻璃衬底上,通过传统低温薄膜工艺,批量制备线形可编程(Line-shape-
programmed)的纳米线阵列。具体而言,采用覆盖在衬底表面的非晶硅薄膜作为前驱体,金属铟液滴在平面中吸收非晶硅并生成晶态的纳米线。由于金属液滴的平面运动可以被一个简单的台阶所引导,纳米线的形貌可以通过对台阶边缘的预先设计来定制,从而实现任意“一笔画图案”的纳米线结构。作为其中的一个应用,首次成功批量制备了可拉伸的晶硅纳米线弹簧结构,通过原位SEM操作和同步电学测试,验证其在拉伸>200%的情况下依然能保持正常导电特性。从而为实现新一代高迁移率、高稳定性可拉伸纳米线器件指示了一条可靠的形貌调控和宏量制备策略,有望突破长期以来限制晶硅在可拉伸电子应用的关键技术瓶颈,为进一步拓展相关产业化应用铺垫了具有自主知识产权的关键基础。

相关链接:

本项研究成果论文, Deterministic Line-Shape Programming of Silicon
Nanowires for Extremely Stretchable Springs and Electronics,
近期发表在《纳米快报》Nano
Letters之上。论文第一作者为博士生薛兆国同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和北京大学魏贤龙教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授以及法国巴黎综合理工Pere
Roca i
Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年千人计划”,国家基础研究“973”课题,国家自然科学基金,江苏省杰出青年基金和“双创人才”个人与团队计划的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)

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(电子科学与工程学院 科学技术处)

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