碲掺杂提升无催化剂InAs纳米线在硅上的形貌、晶体结构与导电性

摘要

本文报道利用分子束外延（MBE）在硅（111）衬底上生长Te掺杂无催化剂InAs纳米线。随Te浓度增加，纳米线形貌呈现长度缩短、直径增大的趋势。透射电镜与X射线衍射显示，引入Te生长时锌闪锌矿（ZB）相段占比（ZB/(WZ+ZB)）上升。两点电学测量证实高Te掺杂显著提升导电率。研究对比了两组生长系列，仅砷分压差~1×10⁻⁵ Torr，其他参数恒定，考察不同Te掺杂水平。对比表明晶体结构强烈依赖砷分压，且较高砷分压下导电率增益更显著。

背景

纳米线（NWs）日益被视为新兴技术的多功能构建模块，涵盖场效应晶体管、光电探测器、太阳能电池等。其高纵横比、超低功耗、InAs无肖特基势垒等特性使其在电子与量子信息应用中极具吸引力。InAs NW具备高电子迁移率、低有效质量、大g因子、强拉什巴自旋轨道耦合。

传统InAs NW采用金催化剂的气-液-固（VLS）法生长。金引入非有意杂质且阻碍硅基集成。为克服局限，采用无催化剂气-固（VS）法。此模式下立方锌闪锌矿（ZB）与六方纤锌矿（WZ）相共存，多型性与旋转孪晶、层错等缺陷损害输运与光学性质。

掺杂可增强电荷输运，但传统III-V掺杂策略难直接迁移至NW，因其各向异性生长晶面与相依赖表面重构。硅虽为常见n型掺杂剂，但在NW中两性行为成问题。碲为VI族元素，是高效n型掺杂剂，电离能低、扩散小、无两性活性。Te在Au催化及自催化NW中均表现稳健，能调控形貌与晶体结构。

本研究系统考察Te掺杂在无催化剂InAs NW中的形貌变化、相演变与电学性能。扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HR-TEM）、XRD与两点电学测量揭示一致趋势：Te掺杂增加ZB相段比例并改善导电率。

方法/实验

InAs NW在无外来催化剂条件下以VS模式于n型Si(111)衬底生长。

衬底制备

衬底经HF和去离子水清洗，过氧化氢处理45 s形成含针孔的几埃厚SiO₂层作为成核中心。氧化后移入载入锁，200 °C烘烤45 min，400 °C脱气45 min。

InAs纳米线生长

Omicron Pro 100 MBE腔室，475 °C生长1 h 20 min，生长速率0.1 µm h⁻¹。砷由As裂解源供给，As₄束等效压（BEP）为2.3×10⁻⁵ Torr（B系列）和3.3×10⁻⁵ Torr（A系列）。Te经GaTe源引入，析出池温度401–562 °C对应校准GaAs层载流子浓度1×10¹⁵–6×10¹⁹ cm⁻³。

器件加工

两点接触：NW机械转移至预制图案200 nm SiO₂/Si衬底。三层PMMA光刻胶旋涂，电子束光刻定义接触几何。接触区3.5%聚硫化铵稀释液钝化（60 °C，30 min）。电子束蒸发沉积100 nm Ti/40 nm Au电极。

SEM、TEM、XRD、电学测量样品清单见表1。字母A、B、C表示不同砷分压生长系列；GaTe温度0 °C指快门关闭。

结果与讨论

形貌

SEM显示Te掺杂减短线长、增大直径。图1a为A系列（As-BEP≈3.3×10⁻⁵ Torr），图1b为B系列（As-BEP≈2.3×10⁻⁵ Torr）。GaTe池温≤500 °C无明显趋势，561 °C时Te供给剧增导致直径激增、长度骤减。B系列在401 °C即显现更显著长度缩减，暗示较低砷分压放大Te对形貌影响。

Te较大共价半径可能作为表面活性剂，降低铟原子扩散率，促进径向而非轴向生长。提高砷分压可缓解此效应，提供形貌调控路径。

晶体结构

HR-TEM与XRD量化ZB/(WZ+ZB)段比。四双层堆叠序列定义ZB段（…ABCA…）或WZ段（…ABAB…）。不足四双层的段归类为层错或孪晶。

图3显示两系列ZB/(WZ+ZB)比随GaTe池温升高而上升。447 °C时主要因ZB段数增加；500 °C时WZ段减少、层错略增。总体Te掺杂促进ZB形成，高砷分压（A系列）下趋势更明显。

XRD φ扫描佐证：分离ZB (220)与WZ (10-11)反射，强度比I_ZB/(I_ZB+I_WZ)随Te掺杂升高，A系列尤甚。B系列响应较弱凸显砷促进Te掺杂的作用。

电学测量

两点I-V曲线呈欧姆行为，符合InAs表面累积层特性。电导率σ=A R L⁻¹ w，用六边形截面公式A=3√3 d_NW²/8计算，d_NW和L_w由SEM测得。

图6e显示最高Te掺杂（GaTe池500 °C）电导率提升约一阶，达≈80 S cm⁻¹，未掺杂约8 S cm⁻¹。A系列更强导电率增益关联其更高ZB/(WZ+ZB)比。单纯晶相改善仅提升~50%导电率，此处十倍增益亦反映Te施主提升载流子密度。

导电率离散源于接触钝化不均、表面氧化、Te轴向分布不均等。需进一步研究如原位Al₂O₃钝化以减小离散。

结论

成功在Si(111)上以VS法生长Te掺杂无催化剂InAs纳米线，证实Te调控形貌、晶相与电学性能。Te提高ZB/(WZ+ZB)比并使导电率提升一阶，高砷分压下效果更显著。拓展III-V NW掺杂策略，为缓解缺陷诱导输运退化提供路径。