在玻璃基底上实现可扩展的非光刻平面定向生长技术，用于制造毫米级硅纳米线阵列

《Journal of Alloys and Compounds》：Scalable Nonlithographic In-Plane Directional Growth of Millimeter-Scale Silicon Nanowire Arrays on Glass Substrates

硅纳米线在平面固态-液态-固态机制下通过机械刮擦形成纳米沟槽，实现350℃下毫米级定向生长，并制备出高迁移率场效应晶体管。

　　

Junchang Yang | Bin Zhang | Shiqian Hu | Dianlun Li | Junzhuan Wang | Xianhong Meng | Zhaoguo Xue | Linwei Yu

北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学研究所，强度与结构完整性国家重点实验室，中国北京100191

摘要

在平面内定向生长超长硅纳米线（Si NW）阵列对于未来的电子和光电子系统来说非常具有吸引力，但由于难以用可扩展且低成本的方法实现大面积对齐，这一目标仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种简单、非光刻的、高效的方法，通过平面内固-液-固（IPSLS）机制在玻璃基板上生长毫米级的平面内Si NW。利用机械刮擦技术在玻璃基板上制造大面积、高度对齐的纳米级沟槽，我们实现了沿沟槽定义方向的Si NW定向生长，其特征生长速率高达20 μm/min，且生长温度相对较低，仅为350 °C。为了阐明其生长机制，我们建立了一个基于能量的分析模型，该模型量化了沟槽内受限的催化剂液滴的吉布斯自由能，从而确定了控制生长稳定性和方向性的关键因素。此外，用这些生长的Si NW制造的顶栅场效应晶体管（FET）表现出高达100 cm² V^-1 s^-1的空穴迁移率以及超过10⁵的导通/截止电流比。这项工作为在玻璃基板上直接集成大面积、定向对齐的Si NW阵列提供了一条可扩展的途径，这可能有助于它们在下一代电子和光子器件中的实际应用。

引言

硅纳米线（Si NW）已成为下一代高性能、大面积电子产品的有前景的构建块。结合稳定的电学性质和高长宽比，Si NW能够应用于各种设备中，包括场效应晶体管（FET）[1]、[2]、[3]、纳米机电系统[4]、[5]、[6]、可拉伸电子器件[7]、[8]、传感器[9]、[10]、[11]、锂离子电池[12]、[13]和光电子器件[14]、[15]，同时与现有的成熟硅基技术完全兼容[16]、[17]、[18]。对Si NW的深入研究对于理解微/纳米材料的力学行为[19]、[20]、[21]以及微/纳米器件的设计[22]、[23]、[24]也具有重要意义。

在过去十年中，使用气-液-固（VLS）生长[25]、[26]、氧化物辅助生长（OAG）[27]、[28]和溶液合成[29]、[30]等方法，已经在合成具有不同形态和直径的Si NW方面取得了显著进展，最小直径已降至10纳米以下[31]。然而，与减少Si NW直径的研究相比，对Si NW长度的研究相对较少。随着纳米器件集成向更复杂架构的发展，对具有均匀物理和电子特性的超长Si NW的需求变得越来越明显。这种超长Si NW是构建集成多器件系统的基础[32]、[33]，因为它们的延长长度便于多个功能单元之间的直接互连。此外，它们的一维连续结构使得电荷和光子传输更加高效，使它们成为纳米级光电探测器和光波导的有希望的候选材料[34]、[35]。

此外，实现纳米线的可控、低成本和大面积对齐仍然具有挑战性。自下而上的生长技术通常会产生随机取向的纳米线，因此通常需要复杂的后生长对齐/组装方法（例如，电场辅助对齐[36]、[37]、流动辅助组装[38]、[39]、[40]和纳米梳状排列[41]）来将纳米线定位到目标基板上；自上而下的制造技术，包括金属辅助化学蚀刻（MACE）[42]、[43]、[44]、感应耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP-RIE）[45]、[46]和深度反应离子蚀刻（DRIE）[47]、[48]，可以生产长度超过20 μm的平行Si NW阵列。然而，这些方法不可避免地增加了处理复杂性和成本。相比之下，平面内固-液-固（IPSLS）生长机制提供了一种有前景的替代方案，它通过在平面基板上使用金属催化剂液滴驱动氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜的原位横向结晶，从而实现可控的平面内Si NW形成，无需后生长转移或组装[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。

在这里，我们介绍了一种简单、非光刻的方法，通过IPSLS机制在低成本玻璃基板上定向生长毫米级的晶体Si NW。通过使用可扩展的机械刮擦技术，我们制造了高度对齐的纳米级沟槽，实现了Si NW的大面积平面内对齐，而无需额外的光刻处理。为了阐明其生长机制，我们建立了一个基于能量的分析模型，定量描述了沟槽几何形状对催化剂液滴形貌的影响，从而为通过IPSLS机制实现Si NW生长的稳定性提供了定性解释。最后，我们基于这些生长的Si NW制造了顶栅FET，以评估其电子特性，展示了这种方法在可扩展、可控地制造基于Si NW的系统方面的潜力。

部分摘录

在机械刮擦的玻璃基板上生长Si NW

图1示意性地展示了平面内超长Si NW阵列的自组装生长过程。首先，使用碳化硅砂纸对玻璃基板进行机械刮擦以制造导向沟槽（图1a）。然后，通过不锈钢遮罩将铟垫热蒸发以在预定义的位置形成图案（图1b）。接下来，将样品放入等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统中，并用H₂等离子体进行处理

结论

总之，我们开发了一种低成本、非光刻的、高效的方法，通过IPSLS机制在玻璃基板上定向生长毫米级的Si NW。通过使用简单的机械刮擦技术生成高度对齐的纳米级沟槽，我们在相对较低的350?°C温度下实现了均匀对齐和高达20 μm/min的特征生长速率。为了进一步了解生长过程，我们建立了一个基于能量的分析模型

CRediT作者贡献声明

Xianhong Meng：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取。Zhaoguo Xue：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。Dianlun Li：可视化、方法论、正式分析。Junzhuan Wang：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。Bin Zhang：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

Z.X.感谢中国国家自然科学基金（项目编号12272023）和中央高校基本科研业务费的支持。X.M.感谢中国国家自然科学基金（项目编号12172027和U23A20111）的支持。L.Y.感谢中国国家自然科学基金杰出青年学者计划（项目编号62325403）和中国国家重点研发计划（项目编号92164201）的支持。数值计算工作得到了