高质量InAs/GaSb异质结纳米线分子束外延生长及隧穿场效应器件研究

Tunnel field-effect transistors (TFETs) have emerged as one of the top alternative devices for the next generation integrated circuits owing to their ultra-steep subthreshold slopes and potential applications in ultra-low power electronic circuits. InAs/GaSb heterostructure nanowires are ideal materials for TFET applications, due to their broken type-II band alignments which allow for interband tunneling without any barrier. This project aims at the fabrication of high-quality InAs/GaSb heterostructure nanowires on Si substrates using molecular-beam epitaxy. A comprehensive characterization will be performed for these heterostructure nanowires including the morphological, structural, optical and electrical properties. We also plan to fabricate the InAs/GaSb heterostructure nanowire TFETs and set up the relationship between preparation condition, structure, physical property and device performance. Based on the optimization of material quality and the device fabrication processing, we attempt to fabricate the InAs/GaSb heterostructure nanowire TFETs with a low subthreshold swing and large on-state current. It is expected that this project can provide a material, physical and technical guidance for future commercial TFETs with a subthreshold swing lower than the Si-based CMOS physical limit.

隧穿场效应晶体管具有超陡亚阈斜率，可实现超低功耗电路，是下一代集成电路最具竞争力的备选器件之一。InAs/GaSb异质结纳米线具有破隙型能带结构，可以进行无需势垒层的带间隧穿，是制备高性能隧穿场效应晶体管的理想材料。本项目拟通过分子束外延技术，在Si衬底上用Ag做催化剂制备高质量InAs/GaSb异质结纳米线，对其形貌、结构、光学及电学性质进行表征；研制InAs/GaSb异质结纳米线隧穿场效应晶体管；研究器件性能与纳米线制备条件、结构及物理性质之间的关系；在不断优化材料质量及器件加工工艺的基础上，制备出具有小亚阈值摆幅及大开态电流的InAs/GaSb异质结纳米线隧穿场效应晶体管。本项目旨在为最终研制亚阈值摆幅小于Si基CMOS理论极限且满足实际应用的隧穿场效应器件提供材料基础、物理原理和技术指导。

隧穿场效应晶体管具有超陡亚阈斜率，可实现超低功耗电路，是下一代集成电路最具竞争力的备选器件之一。InAs/GaSb异质结纳米线具有破隙型能带结构，可以进行无需势垒层的带间隧穿，是制备高性能隧穿场效应晶体管的理想材料。本项目利用分子束外延技术，研究了Si衬底上高质量InAs/GaSb轴向异质结纳米线、大Sb组分可调高质量GaAsSb/InAs核壳异质结纳米线以及Ag催化高质量InAs/GaSb核壳异质结纳米线的分子束外延制备。研究了纳米线制备条件、晶向及晶体结构等与纳米线器件性能的依赖关系。研究了InAs/GaSb核壳纳米线双栅场效应器件随着顶栅和背栅电压调制变化的二维电阻相图。项目开展三年来，取得了一批原创性成果。包括：利用分子束外延技术在Si(111)衬底上，国际上首次成功生长出高质量InAs/GaSb轴向异质结纳米线及大组分可调高质量GaAsSb/InAs核壳异质结纳米线。首次制备出Ag催化全纤锌矿结构的高质量InAs/GaSb核壳异质结纳米线。澄清了纳米线晶向、晶体结构与纳米线器件的开关比、开态电流密度、亚阈值摆幅以及阈值电压等性能参数的关系。基于高质量全纤锌矿结构InAs/GaSb核壳纳米线，制备出了具有顶栅和背栅的双栅场效应器件，发现器件显著的双极性输运现象，并绘制出了低温下InAs/GaSb核壳纳米线双栅场效应器件随着顶栅和背栅电压调制变化的二维电阻相图。此外，在项目资助下，我们还实现了InAs/InSb轴向异质结纳米线的生长，并创造性地在一维InAs纳米线上外延出了二维高质量InSb单晶纳米片。项目开展三年来，共发表收录项目编号的SCI论文13篇，其中包括Nano Letters 6篇，Nanoscale 1篇，Nanotechnology 2篇，Applied Physics Letters 2篇。项目负责人参加美国材料学会秋季年会、国际半导体物理大会及纳米线周等国际会议6次，做口头报告5次；参加秋季物理年会及全国半导体物理会议等国内会议4次，做口头报告4次。申请中国发明专利2项，授权1项。培养毕业博士研究生2人，在读硕博连读研究生3人。项目负责人入选“中国科学院青年创新促进会”。本项目为未来研制亚阈值摆幅小于Si基CMOS理论极限且满足实际应用的隧穿场效应器件提供了重要的材料基础、物理原理和技术积累。