南京大学余林蔚教授团队ACS Nano：面向三维集成应用实现高均匀性三维堆叠硅纳米线阵列的生长

纳米人

2025-11-11

自下而上的催化生长已经被证明是一种非常有效的方法，可以通过低温、高产量的工艺生产超细硅纳米线沟道。然而，为了在单片三集成架构中，获得作为构建高性能场效应晶体管的准一维沟道，必须精确控制这些催化的三维堆叠硅纳米线的直径均匀性和空间排列，这一直是制约其大规模集成应用的瓶颈。

针对以上挑战，南京大学余林蔚教授团队联合浙江大学杭州国际科创中心梁磊博士后以及扬州大学物理科学与技术学院讲师胡瑞金，基于“平面内固-液-固”（IPSLS）机制，利用氮氧叠层三维侧壁沟槽架构，创新性提出嵌入式非晶硅前驱体填充供给（Embedded-Precursor-Feeding）策略方式，成功实现了高均匀性、高生长率的超细三维堆叠晶硅纳米线阵列生长。硅纳米线的直径精确控制在D_nw = 20 ± 2 nm，生长率>90%; 此外，基于非晶硅供给模式对硅纳米线生长机制进行详细讨论；并基于此超均匀硅纳米线阵列实现原位器件制备，晶体管的开关比可高达10⁸，亚阈值摆幅也低至160 mV/dec。这些结果为提高催化生长堆叠硅纳米线阵列的可靠性提供了一种简单而有效的方法，在单片三维集成架构和传感器中具有广阔的应用前景。

图1. 用于实现均匀堆叠硅纳米线生长的嵌入式前驱体供给策略。a. 一种采用围栅场效应晶体管（GAA-FET）的示意。b. 三维集成架构的示意图，顶层器件沟道是通过低温催化生长方式生长的硅纳米线。c硅纳米线生长均匀性低情况的示例，包括硅纳米线偏离三维侧壁沟槽以及在顶部/底部平台处的随机生长。d. 通过嵌入式前驱体供给策略实现极均匀硅纳米线阵列的制造工艺。

图2. 三维堆叠硅纳米线的形貌和晶体质量特性分析。a.保角型 非晶硅层在侧槽壁上的透射电子显微镜图像。b.堆叠硅纳米线扫描电子显微镜图像，相邻槽之间相互交错。c. 硅纳米线直径的统计分析。d. 通过各向异性蚀刻形成的嵌入型前驱体的形成情况，显示出突出侧壁上的非晶硅较少，而槽内有足够的非晶硅。e. 均匀堆叠的硅纳米线的扫描电子显微镜图像，对应的统计结果见 f。g-h，硅纳米线的高分辨率透射电子显微镜图像。i. 不同层中硅纳米线直径的统计分析。

图3. 非晶硅结构对硅纳米线形貌的影响。a-c，分别为非晶硅不足、过量和嵌入条件下硅纳米线生长动态示意图。d-f，通过不同的非晶硅结构生长的硅纳米线的扫描电子显微镜图像，g-i给出了直径和生长速率的统计数据。

图4. 硅纳米线场效应晶体管的器件性能。A，晶体管的关键制造步骤。b-c，器件结构示意图。d-e，转移特性和输出特性曲线。f， 多个器件的I_ds-V_gs转移特性曲线。g-h，开关电流比和亚阈值摆幅的统计图 i，自下而上制备硅/锗纳米线器件的性能对比图。

本项研究成果论文以Extremely Uniform Growth Integration of Stacked Silicon Nanowire Channels for High-Performance Transistors via an Embedded-Precursor-Feeding Strategy为题发表于《ACS Nano》期刊上。文章第一作者为浙江大学杭州国际科创中心梁磊博士后，南京大学余林蔚教授以及扬州大学胡瑞金讲师为文章通讯作者，其中南京大学电子科学与工程学院为该文章的第一单位。研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年学者项目以及国家自然科学基金重点项目的资助。

相关文章连接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c09735