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近年来，随着晶体管尺寸的不断缩小，摩尔定律已经接近极限，芯片集成密度增速也随之减缓，因此人们提出从器件集成化和系统功能多样化等方面来延续摩尔定律。其中，“探索更高迁移率的新沟道材料以及实现其全包栅结构纳米线场效应晶体管”是有效的解决方案之一。在高迁移率新沟道材料的探索过程中，Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料受到了广泛关注，本论文聚焦高迁移率Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控合成与性能研究开展工作。
本论文首先对一维无机纳米线进行了简单介绍，一维纳米材料具有优异的光吸收能力、优异的载流子分离与收集能力、优异的机械灵活性、丰富的表面态调控功能及良好的兼容性，在研究器件电学性能、光电性能和机械性能对维度的依赖性方面具有独特的优势。同时，通过对其尺寸和复合结构的控制，可以将其应用于电子、磁性、声学、光子学等多领域，从而在器件集成化和系统功能多样化方面促进摩尔定律的延续。这其中，Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料具有载流子迁移率高、直接带隙、带宽窄、抗辐射能力强等特点，因此Ⅲ-Ⅴ族纳米线在场效应晶体管、逻辑电路、光电探测器、太阳能电池等应用方面，成为制备纳米级电子和光电子器件的新一代半导体材料。
本论文对于涉及到的实验方法和原理进行了详细阐述。首先对Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长方法进行了简单介绍，包括“自上而下”和“自下而上”方法等。阐述了纳米线的生长机理，包括气-液-固和气-固-固机理:介绍了制备工艺的参数影响，包括温度、催化剂等在纳米线可控生长中的作用。最后介绍场效应晶体管的工作原理、性能参数与制备方法，光电探测器的工作原理与主要性能参数，互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器的工作原理与主要性能参数等。
相比Ⅲ-Ⅴ族材料的理论高迁移率，Ⅲ-Ⅴ族纳米线较低的场效应迁移率使其应用发展缓慢，主要是由于纳米线表面态、晶体质量、载流子浓度的难以控制。特别是n型器件与p型器件场效应迁移率的不匹配，限制现代电子芯片的持续小型化。因此，提高Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管的迁移率将推动集成电路的进一步发展。如何实现Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控合成、迁移率提高以及性能调控则变得至关重要，这也是本论文的研究重点。载流子迁移率主要取决于器件的制造技术和沟道半导体材料等方面。其中制造技术是非常复杂的，并且每个过程对于所制造器件的载流子迁移率都是至关重要的。另一方面，载流子迁移率也可以通过改变沟道半导体的结晶度、生长平面、载流子有效质量和载流子浓度等来进行调节。通过设计晶体生长平面，可以控制材料的极性、载流子有效质量和表面散射，从而提高场效应晶体管的迁移率。
本论文通过调控Ⅲ-Ⅴ族纳米线中载流子的散射作用以及浓度实现了超高迁移率场效应晶体管。主要工作之一是发展了利用固态催化剂生长纳米线的新方法，通过控制纳米线的晶体结构减弱了载流子晶格散射作用，提高InP纳米线的电子迁移率至理论值(2000 cm2·V-1 ·s-1)。此外，在现代电子芯片中，p型沟道器件的载流子迁移率总是低于n型沟道，这给电子和光电子应用的持续小型化带来了挑战。因此，本论文针对p型纳米线材料也做了深入的工作，并主要以p型GaSb纳米线为例开展研究。第二项主要工作是基于GaSb的本征空穴来源，理论设计并实现催化剂对纳米线的原位轻掺杂，有效减弱了载流子的库伦散射作用，GaSb纳米线的空穴迁移率提高至理论值(1028 cm2·V-1·s-1)，并表现出出色的红外探测能力。最后，本论文发展了利用金属-半导体结调控纳米线场效应晶体管迁移率的新方法，进一步提高GaSb纳米线器件的场效应空穴迁移率至3372cm2·V-1·s-1。
具体的工作内容展开如下:
1.可控合成了电子迁移率接近理论值的InP纳米线并对其进行了电学及光电性能研究。发展了利用固态催化剂生长纳米线的新方法，通过控制纳米线的晶体结构减弱了载流子晶格散射作用，使得InP纳米线的电子迁移率达到2000cm2·V-1·s-1，接近理论计算值，为新一代的光电探测器件提供了材料选择。
InP纳米线作为一种重要的半导体纳米材料，其在典型的气-液-固生长模式下具有较多的缺陷(如孪晶、混合相等)，导致了较低的电子迁移率，限制了其在电子领域的实际应用。针对这一研究现状，在化学气相沉积过程中，本工作利用高熔点的Pd催化剂，成功实现了气-固-固生长模式，合成了沿独特的非极性生长方向的纤锌矿InP纳米线，深入研究了InP纳米线的在特定的均一生长方向下的生长特性和优异的结晶度，计算了气-固-固生长模式下多面体形状的固态PdIn催化剂的不同晶面的表面能。具体地，PdIn固态催化剂颗粒在InP纳米线成核界面暴露出能量最低的PdIn{210}平面，其与非极性InP{2110}和{1010}平面的具有最小的晶格失配，因此合适的晶格匹配使得高度结晶的InP纳米线沿非极性方向外延生长。由于良好地控制了晶体缺陷，减弱了载流子的晶格散射作用，InP纳米线创纪录地实现了2000cm2·V-1·s-1的高电子迁移率，其电子浓度为1017cm-3，接近于体材料的理论值。统计的多个场效应晶体管的电子迁移率，都具有相对较高的电子迁移率(1000-2000 cm2·V-1·s-1)，证明了该方法的易实现性。同时，成功制备了InP纳米线顶栅场效应晶体管，器件在室温下展现出非常小的亚阈值摆幅，低至91mV·dec-1。此外，将制备的InP纳米线应用于光电探测器时，器件的光响应度高达104A·W-1(文献中报道的所有InP纳米线中最高的响应度之一)，且具有较快的上升和下降时间，分别为0.89s和0.82s。这些结果都证明了本项工作中合成的非极性方向的InP纳米线在未来的电子和光电子学领域都具体非常好的应用前景。
2.可控合成了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线并对其进行了电学及光电性能研究。理论设计并实现催化剂对GaSb纳米线的空穴迁移率调控，基于GaSb的本征空穴来源，通过原位轻掺杂，有效减弱了载流子的库伦散射作用，使得GaSb纳米线的空穴迁移率提高至1028cm2·V-1·s-1，在近红外室温探测体现出较快的反应速度。
本项工作首先研究了沟道材料迁移率与红外探测性能之间的关系。通过简单的表面活性剂辅助化学气相沉积方法实现了高质量的全比例可调GaAsSb纳米线的可控生长。通过对源的质量、源区和生长区的温度进行调节，实现了对GaAsxSb1-x纳米线组分、直径、生长速率等调控。随后研究了As的比例对纳米线器件电学性能和红外探测性能的影响，对不同比例的GaAsXSb1-x纳米线场效应晶体管电学性能进行统计，结果表明，随着As比例的增加，GaAsXSb1-x纳米线的场效应空穴迁移率逐渐降低。同时研究了GaAsXSb1-x(x=0，0.06，0.26，0.5)纳米线的红外探测性能，随着As比例的增加，GaAsXSb1-x纳米线红外探测器的光生电流、响应度、探测率均有下降。可以看出，提高空穴迁移率有助于提升GaSb纳米线的红外探测性能。
接下来，本项工作通过原位轻掺杂的方法有效减弱了GaSb纳米线中载流子的库伦散射作用，实现了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线场效应晶体管。首先通过模拟Sn掺杂后GaSb的能带结构，载流子有效质量及计算体系形成能，预测了Sn轻掺杂后GaSb空穴迁移率将提高。因此在本工作中，采用表面活性剂辅助化学气相沉积方法，利用Sn作为纳米线生长的催化剂和轻掺杂源，成功合成了长且直、表面均匀、结晶度高的GaSb纳米线。其单根纳米线底栅场效应空穴迁移率高达1028cm2·V-1·s-1，达到GaSb空穴迁移率理论值;纳米线平行阵列器件也表现出170cm2·V-1·s-1的峰值空穴迁移率。
通过多种表征手段对合成的纳米线进行表征，探究其空穴迁移率达到理论值的原因。Sn轻掺杂GaSb纳米线的光致发光谱相对Au催化的纳米线具有0.05eV的红移、高分辨率透射电子显微镜观察到催化剂尖端在生长过程中逐步渗入到纳米线内部、同时高分辨率透射电子显微镜配套的能量色散X射线光谱仪检测到Sn的信号、径向刻蚀纳米线的X射线光电子能谱存在Sn信号峰等，这些都证明了Sn在GaSb中的均匀轻掺杂。
最后，本项工作研究了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线的红外探测性能。在1550nm红外光和520nm可见光照射下，GaSb单根纳米线器件和纳米线阵列器件均具有优异的光电探测性能，包括几百微秒的响应时间。相比于Au催化合成的GaSb纳米线和GaAsSb纳米线红外探测器，Sn轻掺杂GaSb纳米线器件具有更快的响应速度和更高的探测能力，验证了提高空穴迁移率有助于提升GaSb纳米线的红外探测性能。总之，Sn轻掺杂的空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线在下一代电子设备和光电探测中具有广阔的应用前景。同时，本工作中涉及的利用合适的催化剂作为纳米线生长的轻掺杂源的方法具有普适性，对高性能纳米线可控合成提供了借鉴意义。
3.利用金属-半导体结进一步提高了GaSb纳米线场效应空穴迁移率。利用金属-半导体结发展了调控场效应晶体管迁移率的普适性方法，调控了场效应晶体管的沟道材料载流子浓度，提高了GaSb纳米线的场效应空穴迁移率至3372cm2·V-1·s-1，实现了高增益的CMOS反相器，为新一代微电子器件提供了借鉴意义。
在所有Ⅲ-Ⅴ族半导体中，GaSb纳米线的空穴迁移率最高，上一项工作通过减弱库伦散射已经将GaSb纳米线空穴迁移率提高至理论值。然而，为了进一步提高p型半导体器件空穴迁移率以接近n型器件同等水平，本项工作通过在半导体表面沉积具有不同功函数的CMOS兼容的金属颗粒，构成金属-半导体结，调控p型半导体材料的空穴浓度和电学性能。
当沉积低功函数金属Al、Sn和Ti时，GaSb纳米线场效应晶体管的峰值空穴迁移率显著提高，分别高达3372cm2·V-1·s-1、1938cm2·V-1·s-1和2840cm2·V-1·s-1。构建Al-GaSb结后峰值场效应空穴迁移率是原始值的三倍，是目前报道的常温下大气环境中p沟道器件中场效应空穴迁移率的最高值。场效应空穴迁移率的大幅提高归因于金属-半导体界面向下的能带弯曲导致的半导体沟道中空穴浓度的降低。同时，GaSb纳米线场效应晶体管的其他重要电子特性，例如阈值电压和亚阈值摆幅等，也得到很好的控制。重要的是，当与n型InGaAs纳米线相连时，受益于提高的场效应空穴迁移率、合适的阈值电压和亚阈值摆幅等，制成的CMOS反相器具有良好的反相特性，实现了～18.1的较高增益。这种利用金属-半导体结调控p型材料场效应迁移率的方法具有普适性，在其他p沟道器件中得到了验证，例如p型GaAs纳米线，GaAs薄膜和二维WSe2场效应晶体管，且沟道材料的厚度越小，场效应空穴迁移率的增加效果越明显。本项工作研究的金属-半导体结可以看作提高p沟道器件场效应空穴迁移率的重要进步，促进下一代电子技术的发展。
综上所述，本论文研究了高迁移率Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控合成，通过调控纳米线中载流子的散射作用以及浓度，实现了电子迁移率接近理论值的InP纳米线、空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线，以及进一步提高了GaSb纳米线的场效应空穴迁移率，并研究了其电学性能和光电探测性能，构建起沟道材料迁移率与红外探测性能之间的关系:“高迁移率有利于实现高性能红外探测器件”。利用超高场效应空穴迁移率的GaSb纳米线实现了CMOS反相器的应用。本论文提出的具有创新性和普适性的纳米线可控合成方法、以及提高p型材料空穴迁移率的方法，对高性能纳米线可控合成与性能研究提供了借鉴意义。
本论文首先对一维无机纳米线进行了简单介绍，一维纳米材料具有优异的光吸收能力、优异的载流子分离与收集能力、优异的机械灵活性、丰富的表面态调控功能及良好的兼容性，在研究器件电学性能、光电性能和机械性能对维度的依赖性方面具有独特的优势。同时，通过对其尺寸和复合结构的控制，可以将其应用于电子、磁性、声学、光子学等多领域，从而在器件集成化和系统功能多样化方面促进摩尔定律的延续。这其中，Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料具有载流子迁移率高、直接带隙、带宽窄、抗辐射能力强等特点，因此Ⅲ-Ⅴ族纳米线在场效应晶体管、逻辑电路、光电探测器、太阳能电池等应用方面，成为制备纳米级电子和光电子器件的新一代半导体材料。
本论文对于涉及到的实验方法和原理进行了详细阐述。首先对Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的生长方法进行了简单介绍，包括“自上而下”和“自下而上”方法等。阐述了纳米线的生长机理，包括气-液-固和气-固-固机理:介绍了制备工艺的参数影响，包括温度、催化剂等在纳米线可控生长中的作用。最后介绍场效应晶体管的工作原理、性能参数与制备方法，光电探测器的工作原理与主要性能参数，互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器的工作原理与主要性能参数等。
相比Ⅲ-Ⅴ族材料的理论高迁移率，Ⅲ-Ⅴ族纳米线较低的场效应迁移率使其应用发展缓慢，主要是由于纳米线表面态、晶体质量、载流子浓度的难以控制。特别是n型器件与p型器件场效应迁移率的不匹配，限制现代电子芯片的持续小型化。因此，提高Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管的迁移率将推动集成电路的进一步发展。如何实现Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控合成、迁移率提高以及性能调控则变得至关重要，这也是本论文的研究重点。载流子迁移率主要取决于器件的制造技术和沟道半导体材料等方面。其中制造技术是非常复杂的，并且每个过程对于所制造器件的载流子迁移率都是至关重要的。另一方面，载流子迁移率也可以通过改变沟道半导体的结晶度、生长平面、载流子有效质量和载流子浓度等来进行调节。通过设计晶体生长平面，可以控制材料的极性、载流子有效质量和表面散射，从而提高场效应晶体管的迁移率。
本论文通过调控Ⅲ-Ⅴ族纳米线中载流子的散射作用以及浓度实现了超高迁移率场效应晶体管。主要工作之一是发展了利用固态催化剂生长纳米线的新方法，通过控制纳米线的晶体结构减弱了载流子晶格散射作用，提高InP纳米线的电子迁移率至理论值(2000 cm2·V-1 ·s-1)。此外，在现代电子芯片中，p型沟道器件的载流子迁移率总是低于n型沟道，这给电子和光电子应用的持续小型化带来了挑战。因此，本论文针对p型纳米线材料也做了深入的工作，并主要以p型GaSb纳米线为例开展研究。第二项主要工作是基于GaSb的本征空穴来源，理论设计并实现催化剂对纳米线的原位轻掺杂，有效减弱了载流子的库伦散射作用，GaSb纳米线的空穴迁移率提高至理论值(1028 cm2·V-1·s-1)，并表现出出色的红外探测能力。最后，本论文发展了利用金属-半导体结调控纳米线场效应晶体管迁移率的新方法，进一步提高GaSb纳米线器件的场效应空穴迁移率至3372cm2·V-1·s-1。
具体的工作内容展开如下:
1.可控合成了电子迁移率接近理论值的InP纳米线并对其进行了电学及光电性能研究。发展了利用固态催化剂生长纳米线的新方法，通过控制纳米线的晶体结构减弱了载流子晶格散射作用，使得InP纳米线的电子迁移率达到2000cm2·V-1·s-1，接近理论计算值，为新一代的光电探测器件提供了材料选择。
InP纳米线作为一种重要的半导体纳米材料，其在典型的气-液-固生长模式下具有较多的缺陷(如孪晶、混合相等)，导致了较低的电子迁移率，限制了其在电子领域的实际应用。针对这一研究现状，在化学气相沉积过程中，本工作利用高熔点的Pd催化剂，成功实现了气-固-固生长模式，合成了沿独特的非极性生长方向的纤锌矿InP纳米线，深入研究了InP纳米线的在特定的均一生长方向下的生长特性和优异的结晶度，计算了气-固-固生长模式下多面体形状的固态PdIn催化剂的不同晶面的表面能。具体地，PdIn固态催化剂颗粒在InP纳米线成核界面暴露出能量最低的PdIn{210}平面，其与非极性InP{2110}和{1010}平面的具有最小的晶格失配，因此合适的晶格匹配使得高度结晶的InP纳米线沿非极性方向外延生长。由于良好地控制了晶体缺陷，减弱了载流子的晶格散射作用，InP纳米线创纪录地实现了2000cm2·V-1·s-1的高电子迁移率，其电子浓度为1017cm-3，接近于体材料的理论值。统计的多个场效应晶体管的电子迁移率，都具有相对较高的电子迁移率(1000-2000 cm2·V-1·s-1)，证明了该方法的易实现性。同时，成功制备了InP纳米线顶栅场效应晶体管，器件在室温下展现出非常小的亚阈值摆幅，低至91mV·dec-1。此外，将制备的InP纳米线应用于光电探测器时，器件的光响应度高达104A·W-1(文献中报道的所有InP纳米线中最高的响应度之一)，且具有较快的上升和下降时间，分别为0.89s和0.82s。这些结果都证明了本项工作中合成的非极性方向的InP纳米线在未来的电子和光电子学领域都具体非常好的应用前景。
2.可控合成了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线并对其进行了电学及光电性能研究。理论设计并实现催化剂对GaSb纳米线的空穴迁移率调控，基于GaSb的本征空穴来源，通过原位轻掺杂，有效减弱了载流子的库伦散射作用，使得GaSb纳米线的空穴迁移率提高至1028cm2·V-1·s-1，在近红外室温探测体现出较快的反应速度。
本项工作首先研究了沟道材料迁移率与红外探测性能之间的关系。通过简单的表面活性剂辅助化学气相沉积方法实现了高质量的全比例可调GaAsSb纳米线的可控生长。通过对源的质量、源区和生长区的温度进行调节，实现了对GaAsxSb1-x纳米线组分、直径、生长速率等调控。随后研究了As的比例对纳米线器件电学性能和红外探测性能的影响，对不同比例的GaAsXSb1-x纳米线场效应晶体管电学性能进行统计，结果表明，随着As比例的增加，GaAsXSb1-x纳米线的场效应空穴迁移率逐渐降低。同时研究了GaAsXSb1-x(x=0，0.06，0.26，0.5)纳米线的红外探测性能，随着As比例的增加，GaAsXSb1-x纳米线红外探测器的光生电流、响应度、探测率均有下降。可以看出，提高空穴迁移率有助于提升GaSb纳米线的红外探测性能。
接下来，本项工作通过原位轻掺杂的方法有效减弱了GaSb纳米线中载流子的库伦散射作用，实现了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线场效应晶体管。首先通过模拟Sn掺杂后GaSb的能带结构，载流子有效质量及计算体系形成能，预测了Sn轻掺杂后GaSb空穴迁移率将提高。因此在本工作中，采用表面活性剂辅助化学气相沉积方法，利用Sn作为纳米线生长的催化剂和轻掺杂源，成功合成了长且直、表面均匀、结晶度高的GaSb纳米线。其单根纳米线底栅场效应空穴迁移率高达1028cm2·V-1·s-1，达到GaSb空穴迁移率理论值;纳米线平行阵列器件也表现出170cm2·V-1·s-1的峰值空穴迁移率。
通过多种表征手段对合成的纳米线进行表征，探究其空穴迁移率达到理论值的原因。Sn轻掺杂GaSb纳米线的光致发光谱相对Au催化的纳米线具有0.05eV的红移、高分辨率透射电子显微镜观察到催化剂尖端在生长过程中逐步渗入到纳米线内部、同时高分辨率透射电子显微镜配套的能量色散X射线光谱仪检测到Sn的信号、径向刻蚀纳米线的X射线光电子能谱存在Sn信号峰等，这些都证明了Sn在GaSb中的均匀轻掺杂。
最后，本项工作研究了空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线的红外探测性能。在1550nm红外光和520nm可见光照射下，GaSb单根纳米线器件和纳米线阵列器件均具有优异的光电探测性能，包括几百微秒的响应时间。相比于Au催化合成的GaSb纳米线和GaAsSb纳米线红外探测器，Sn轻掺杂GaSb纳米线器件具有更快的响应速度和更高的探测能力，验证了提高空穴迁移率有助于提升GaSb纳米线的红外探测性能。总之，Sn轻掺杂的空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线在下一代电子设备和光电探测中具有广阔的应用前景。同时，本工作中涉及的利用合适的催化剂作为纳米线生长的轻掺杂源的方法具有普适性，对高性能纳米线可控合成提供了借鉴意义。
3.利用金属-半导体结进一步提高了GaSb纳米线场效应空穴迁移率。利用金属-半导体结发展了调控场效应晶体管迁移率的普适性方法，调控了场效应晶体管的沟道材料载流子浓度，提高了GaSb纳米线的场效应空穴迁移率至3372cm2·V-1·s-1，实现了高增益的CMOS反相器，为新一代微电子器件提供了借鉴意义。
在所有Ⅲ-Ⅴ族半导体中，GaSb纳米线的空穴迁移率最高，上一项工作通过减弱库伦散射已经将GaSb纳米线空穴迁移率提高至理论值。然而，为了进一步提高p型半导体器件空穴迁移率以接近n型器件同等水平，本项工作通过在半导体表面沉积具有不同功函数的CMOS兼容的金属颗粒，构成金属-半导体结，调控p型半导体材料的空穴浓度和电学性能。
当沉积低功函数金属Al、Sn和Ti时，GaSb纳米线场效应晶体管的峰值空穴迁移率显著提高，分别高达3372cm2·V-1·s-1、1938cm2·V-1·s-1和2840cm2·V-1·s-1。构建Al-GaSb结后峰值场效应空穴迁移率是原始值的三倍，是目前报道的常温下大气环境中p沟道器件中场效应空穴迁移率的最高值。场效应空穴迁移率的大幅提高归因于金属-半导体界面向下的能带弯曲导致的半导体沟道中空穴浓度的降低。同时，GaSb纳米线场效应晶体管的其他重要电子特性，例如阈值电压和亚阈值摆幅等，也得到很好的控制。重要的是，当与n型InGaAs纳米线相连时，受益于提高的场效应空穴迁移率、合适的阈值电压和亚阈值摆幅等，制成的CMOS反相器具有良好的反相特性，实现了～18.1的较高增益。这种利用金属-半导体结调控p型材料场效应迁移率的方法具有普适性，在其他p沟道器件中得到了验证，例如p型GaAs纳米线，GaAs薄膜和二维WSe2场效应晶体管，且沟道材料的厚度越小，场效应空穴迁移率的增加效果越明显。本项工作研究的金属-半导体结可以看作提高p沟道器件场效应空穴迁移率的重要进步，促进下一代电子技术的发展。
综上所述，本论文研究了高迁移率Ⅲ-Ⅴ族纳米线的可控合成，通过调控纳米线中载流子的散射作用以及浓度，实现了电子迁移率接近理论值的InP纳米线、空穴迁移率达到理论值的GaSb纳米线，以及进一步提高了GaSb纳米线的场效应空穴迁移率，并研究了其电学性能和光电探测性能，构建起沟道材料迁移率与红外探测性能之间的关系:“高迁移率有利于实现高性能红外探测器件”。利用超高场效应空穴迁移率的GaSb纳米线实现了CMOS反相器的应用。本论文提出的具有创新性和普适性的纳米线可控合成方法、以及提高p型材料空穴迁移率的方法，对高性能纳米线可控合成与性能研究提供了借鉴意义。