基于Si3N4过渡层与SiO2传统法制备图案化衬底的InAs阵列纳米线生长机制对比研究

【编辑推荐】为解决Si/SiO2图案化衬底制备中纳米孔直径难以缩小及稳定性差的问题，研究人员通过对比Si3N4过渡层法与传统SiO2法，揭示了两种方法下InAs阵列纳米线（NWs）的生长机制差异。研究发现Si3N4法可稳定控制纳米孔尺寸并实现更小直径，为高集成度纳米器件制备提供了新思路。

　　

随着摩尔定律逼近物理极限，硅基CMOS技术面临短沟道效应的严峻挑战。III-V族化合物材料因高电子迁移率成为突破硅基限制的理想选择，其中砷化铟（InAs）的电子迁移率可达硅的30倍。然而，InAs与硅衬底间11.6%的晶格失配使得高质量外延生长困难，而垂直生长的InAs纳米线（NWs）成为可行方案。实现高集成度阵列纳米线器件的关键在于精准控制图案化衬底上纳米孔的尺寸与稳定性——这正是当前研究的瓶颈所在。

兰州理工大学的研究团队在《Vacuum》发表论文，对比研究了两种Si/SiO₂图案化衬底制备方法（传统SiO₂法与新型Si₃N₄过渡层法）对InAs阵列纳米线生长的影响。通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长实验结合结构表征，发现Si₃N₄法能突破传统HF蚀刻导致的纳米孔尺寸不稳定问题，将直径缩小至100 nm以下，并阐明了两种方法下纳米线成核位点（边缘vs中心）的差异机制。

研究采用电子束光刻（EBL）制备不同尺寸纳米孔阵列，通过调控氢氟酸（HF）蚀刻时间实现直径100-510 nm的纳米孔控制。利用低压化学气相沉积（LPCVD）生长80 nm厚Si₃N₄过渡层，结合热氧化工艺形成特殊衬底结构。所有InAs纳米线均在相同MOCVD参数下生长，通过扫描电子显微镜（SEM）分析形貌差异。

实验结果揭示：

1. 结构稳定性：Si₃N₄法形成的纳米孔在HF蚀刻中能保持30 nm恒定深度，而传统法因双重蚀刻导致直径不可控扩大；
2. 成核机制：Si₃N₄法纳米线优先在孔边缘成核，传统法则在中心成核，这与衬底界面能差异直接相关；
3. 直径阈值：当纳米孔<200 nm时，Si₃N₄法能实现100%垂直生长率，而传统法需>340 nm才能保证生长。

结论与意义：
该研究首次系统比较了两种图案化衬底制备方法对III-V族纳米线生长的影响规律。Si₃N₄过渡层技术不仅解决了传统方法纳米孔直径难以缩小的难题，其特殊的边缘成核机制更为纳米线阵列的精准定位生长提供了新途径。这项成果对推动高密度纳米线器件集成、延续摩尔定律具有重要指导价值，尤其为未来3nm以下节点晶体管开发提供了可行的材料制备方案。研究获得国家自然科学基金（61904074）等项目的支持。