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摘要：研究小组通过基于分子束外延法的镓自催化效应的晶体成长，成功地在2英寸的整个硅晶圆上大量合成了均匀且具有优异发光特性的砷化镓半导体纳米线，不需要在晶圆生长之前进行特定的预处理。形成的导线长约6µm，直径约250nm，密度约每平方厘米5000万根，这相当于2英寸衬底上约7亿根导线。

关键词：半导体、硅晶圆、砷化镓、纳米线、分子束外延法

在整个硅晶圆上大量集成光功能纳米线

——适用于器件的高质量纳米线在适当的晶体生长条件下可以很容易地大量合成

要点

·研究小组在整个硅衬底上，成功合成了具有高近红外区发射强度和均匀性的高功能半导体纳米线。

·通过简单的单一处理，在直径为5厘米的硅晶圆上形成了约7亿根超细纳米线。

・由于吸收光，表面由镜面变为黑色，有望用于高功率太阳能电池和硅光器件等。

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概要

研究小组成功将具有优异发光和受光功能的砷化镓半导体纳米线大量集成在整个硅晶圆上。

每根纳米线都可以用作激光器、太阳能电池或晶体管。据报道，研究小组使用一种被称为分子束外延的晶体生长方法制作了一根长度约为6微米、直径约为250纳米的纳米线。研究发现，通过使用构成元素镓的微细液滴、并优化压力和温度等晶体合成条件，可以在整个硅晶圆上大量合成高质量且均匀的纳米线。在直径为5厘米的硅晶圆上，无需预处理，仅采用单分子束外延法即可轻松形成约7亿根微细纳米线。

制作出的晶圆可以获得良好的光发射和高效的光吸收，并有望在提高太阳能电池功率、为硅技术添加廉价和高性能的光学功能等方面取得新的发展。

在整个硅晶圆上形成纳米线的样品。

纳米线均匀地形成，在整个晶圆上观察到相当于或超过具有高光学特性的砷化镓衬底的强光发射。

由于光吸收，外观变黑。

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背景

在半导体中，结合了元素周期表中的III族和V族元素的III-V族化合物半导体，在物质中具有最高的光电转换功能和电子迁移率，用于高性能激光器、传感器、LED等。多年来，人们一直追求将具有高效光学功能的材料结合在作为半导体基础技术的硅电子学中，并进行了许多与III-V族半导体结合的尝试。其中，人们尝试了各种方法，例如在硅衬底上形成薄膜，还有堆叠外延生长以连接高质量晶体结构，以及直接层压每种材料等。

III-V族半导体在硅上的外延生长一直很困难，在加热衬底上生长晶体的外延生长中，构成层的热膨胀系数的差异成为问题，但众所周知的是，上述III-V族化合物半导体在硅上的高质量外延生长可以通过从小开口形成针状晶体的纳米线实现。如果将其应用于太阳能电池等，功率的高低是一个重要因素，因为尽管这种材料具有高性能，但仅靠细小的单条纳米线很难提高功率，因此必须实现大量生产。

主要用于外延生长的金属有机物气相外延和分子束外延等方法，由于需要光刻形成微细开口以形成导线和需要预先形成精细图案，以及晶体生长条件等限制，通常被认为不适合大规模纳米线的合成。因此，为了大量生产纳米线，人们尝试开发特殊的生长方法，例如使用气溶胶的生长，将微小的液滴引入源气体排放口。

在此期间，研究结果表明，在分子束外延法中，利用构成元素镓的自催化作用，无需任何预处理，只需采用合适的晶体生长条件，即可在市售硅晶圆上轻松地大量合成适用于器件的高质量纳米线。

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研究方法

使用市售的2英寸硅晶圆作为衬底，通过分子束外延法制作纳米线。在这里，用于生长砷化镓晶体的构成元素镓本身被用作促进晶体成核和生长的催化剂。在硅晶圆上形成镓液滴，由此形成具有高光学功能的砷化镓纳米线。

晶体是由在镓液滴中混入砷以形成晶体的气液固法(Vapor-Liquid-Solid)、被称为气相-液相-固相生长的晶体生长现象形成的。研究小组详细研究了形成晶体的衬底温度、供应的金属元素的蒸气压、以及作为生长环境的设备内部压力等，结果发现，在适当的条件下，可以在整个晶圆上均匀且高密度地形成纳米线。

此外，在形成砷化镓纳米线后，研究小组通过在其周围覆盖具有高光和电子限制效应的铝砷化镓，努力确保内部砷化镓部分的电子能够很好地发挥作用而不会流出外部，并通过形成精细的层状结构实现未来器件结构的制作。此外，研究小组设计了一种结构，使得电线的最外表面与空气接触的部分成为自然氧化膜的保护层。

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研究结果

研究小组通过基于分子束外延法的镓自催化效应的晶体成长，成功地在2英寸的整个硅晶圆上大量合成了均匀且具有优异发光特性的砷化镓半导体纳米线。纳米线的形成不需要在晶圆生长之前进行特定的预处理，例如图案化、沉积和蚀刻，并且可以使用分子束外延设备在一道工序中合成样品。形成的导线长约6µm，直径约250nm，密度约每平方厘米5000万根，这相当于2英寸衬底上约7亿根导线。纳米线的结构是砷化镓内核覆盖着铝砷化镓外壳的“GaAs/AlGaAs核-壳纳米线”，为未来器件结构的形成提供了可能。

由于纳米线的光散射和吸收，可见光波长的反射率被抑制在2%以下，因此晶圆的外观由原来硅晶圆的镜面状态变为黑色。生长纳米线的晶圆具有等于或大于市售砷化镓衬底的光发射强度，并且整个晶圆的发射波长是均匀的。研究还表明，纳米线的最外层表面暴露在空气中自然氧化而形成的自然氧化膜，长期以稳定的氧化膜保护纳米线表面，有助于提高光学特性。

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未来展望

据报告，仅通过无需预处理或后加工等的单分子束外延法，即可在直径为5厘米的2英寸硅晶圆上轻松形成约7亿根微细纳米线。导线非常均匀且质量高，并且由于可以形成精细的层状结构，因此可以用于制作各种设备。纳米线组还可以促进有效的光吸收，并有望在提高太阳能电池的功率、为硅技术添加廉价和高性能的光学功能等方面取得新的发展。

翻译：王宁愿

审校：刘翔

李涵

通稿：李涵

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在整个硅晶圆上大量集成光功能纳米线