準一維（Quasi one-dimensional, 1D）半導體納米線（Semiconductor Nanowires）是開發新一代高性能電子器件最理想、最方便的構建單元，也是構建超高效光電探測調控和新穎微納機電器件的關鍵基礎。相比于傳統“自上而下”的刻蝕制備工藝，自組裝生長半導體納米線結構在尺寸調控、制備成本和三維形貌等方面有著顯著的優勢，近年來在高性能邏輯、生物傳感和柔性顯示等新興應用領域中廣受關注。然而，如何在主流平面工藝框架中，實現自組裝半導體納米線的精準定位和規模集成，一直是巨大的技術挑戰--被當今學術界廣泛認為是突破和推廣納米線技術應用的“最后一個技術障礙”。聚焦于平面納米線生長、集成和器件應用的研究進展，南京大學余林蔚、徐駿教授課題組應邀在《先進材料》上撰寫長文綜述，系統介紹近二十年來自組裝半導體納米線研究的發展歷程，關鍵技術突破和目前所面臨的主要困難。通過對文獻的深入跟蹤分析，發現近期研究關注熱點正逐步轉移和聚焦于更為貼近產業化應用需求的“平面納米線生長調控和規模集成技術”。這個轉變的發生出現在半導體納米線研究日益成熟的大背景下，一方面體現了產業升級對采用高性能納米線結構/技術的迫切需求，另一方面也反應了學術界對規模化可控制備和集成的高度關注和重視。

文章首先回顧了基于早期豎直生長納米線實現的平面集成工藝：由于采用氣態前驅體供給模式（例如vapor-liquid-solid，VLS生長機理），還需要將豎直納米線收集、轉移和在平面襯底上進行排布，以便于后續的電極連接和器件集成。為此，可以采用Contact Printing, Microfluidic flow, Bubble film, Langmuir-Blodgett, Electric/Magnetic field assisted等一系列不同的技術方案。雖然以上方法在定向轉移和平面排布方面展示了一定的成功，但在與現有平面工藝兼容、降低制備成本和突破納米線精確定位等關鍵問題上依然還面臨著很大的技術困難和挑戰。

圖1：（左）基于“先生長-再轉移”策略的各種平面納米線定向規則排布技術；（右）利用VLS生長并轉移組裝的Ge/Si核殼結構納米線陣列邏輯原型器件。

因此，文章重點介紹了更為直接有效的平面納米線生長技術。1）首先，基于傳統VLS生長模式和預設表面溝槽實現的限制納米線平面引導生長：利用高精度光刻預先在襯底表面制備微納孔洞，然后在其一端淀積金屬催化顆粒，通入前驅體氣氛，使納米線在溝道中受限進行順延溝道的平面生長。如此，可以獲得位置、直徑和形貌都可控的1D納米線溝道。面向規模化器件應用，其主要技術挑戰在于如何高效制備微納孔洞陣列，由于納米線的直徑直接由孔徑大小調控，制備直徑在幾十到百納米量級的孔洞往往需要昂貴的高精度電子束EBL刻蝕工藝。使用陽極氧化多孔氧化鋁結構可以幫助制備高密度納米級孔徑，但是如何使之在平面上精確定位以及實現對單個納米線溝道的獨立柵極調控還有巨大的技術挑戰。

圖2：利用襯底表面納米孔徑引導溝道實現的平面硅納米線生長和原型電學器件。

2）其次，基于VLS生長模式，利用晶體襯底本身的晶格外延方向實現同質/異質定向引導。例如在晶態襯底（藍寶石或者晶硅等）上，由于外延生長界面在降低系統能量上更為有利，故而可以控制自組裝平面納米線在特定方向上定向生長。利用此技術已經實現了各種III-V族、硅鍺、金屬氧化物以及鈣鈦礦納米線的平面引導生長，為規模制備納米線光電探測、電子邏輯和存儲器件提供了關鍵的生長技術，并已經成功展示了一系列高性能原型功能器件。

圖3：（左）在藍寶石襯底不同晶面上，通過VLS模式實現的GaN納米線異質外延引導生長。（右）基于異質外延定向生長ZnO納米線結構制備的電子邏輯器件集成制備。

3）基于一種新型的平面固液固（In-Plane-Solid-Liquid-Solid, IPSLS）生長機制，利用非晶薄膜（例如非晶硅，a-Si）作為前驅體，直接將金屬催化液滴限制于平面中，生長出自回避、不交叉的平面半導體納米線。基于此IPSLS生長模式，可以方便地實現平面同質／異質定向外延生長，還能夠利用可以方便定義的臺階邊緣對納米線進行精準定位引導。由于不依賴于高精度的電子束刻蝕技術，可以在大面積襯底上規模制備，實現服務于平板顯示應用的高性能鰭形納米線薄膜晶體管器件。

圖4：（左）利用非晶薄膜作為前驅體的IPSLS生長模式機理示意圖；（中）基于IPSLS生長模式的平面硅納米線外延引導生長；（右）利用單邊臺階引導實現的平面硅納米線陣列規模生長和集成技術。

此外，文章還進一步討論了平面限制納米線生長為實現納米線組分和形貌調控帶來的新機遇和新技術。介紹了利用平面生長納米線的“強生長界面相互作用”實現的超朔形能力，以及基于液滴微納動態調控獲得的自發相分離Ge/Si超晶格納米線結構。

圖5：（左）平面納米線超朔形形貌調控實現的均勻、島鏈、彈簧和分立納米線結構。（右）利用疊層前驅體供給實現的Ge/Si異質島鏈超晶格納米線結構及其組分和結構表征。

最后，文章還探討了平面納米線生長在制備超可拉伸納米線彈簧溝道和高密度三維集成方向的應用潛力。由于平面納米線生長線形（line-shape）可以被精確編程調控，可以規模制備超長納米線2D彈簧結構和陣列，為實現可拉伸電子和光電探測器提供關鍵的材料和結構基礎。此外，文章強調平面納米線生長調控和集成技術將不僅僅限于襯底水平表面，而實可以被拓展到光刻技術無法直接應用的側壁表面，從而向z方向延生以獲得更高的集成密度和發展空間。

圖6：（左）通過平面納米線線形調控實現的超可拉伸晶硅納米線溝道，以及連續可拉伸網格結構；（右）利用IPSLS技術在斜坡面或陡直表面上生長的高密度納米線陣列；

在IPSLS納米線器件應用方面，課題組在近期成功實現了可定位集成的平面納米線陣列生長制備技術和高性能場效應薄膜晶體管（TFT）器件，展示了高開關比Ion/Ioff>5x108，低亞閾值擺幅<100 mV/dec和較高的空穴遷移率80 cm2/Vs以及反相器邏輯功能。為開發新一代大面積、高清和柔性LCD和AMOLED平板顯示，高靈敏度生物/化學氣氛傳感和可穿戴電子器件奠定了關鍵基礎。

圖7：（左）納米線鰭形晶體管fin-FET器件特性；（右）以及所實現的反相器邏輯器件。

以上綜述內容近期發表于Advanced Materials 31, 1903945 （2019） DOI: 10.1002/adma.201903945, Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires，https://doi.org/10.1002/adma.201903945, 孫瑩同學，董泰閣同學為共同第一作者，余林蔚教授和徐駿教授為通信作者。

平面納米線FET器件研究工作內容，近期發表于IEEE Electron Device Letters, doi: 10.1109/LED.2019.2953116 （2019）， High performance Si nanowire TFTs with ultrahigh on/off current ratio and steep subthreshold swing, https://ieeexplore.ieee.org/document/8896986尹涵同學是第一作者，余林蔚教授和潘丹峰工程師為通訊作者。

此工作得到南京大學電子學院陳坤基教授、施毅教授和王軍轉副教授的大力支持，以及自然科學基金面上項目、重點研發計劃和江蘇省杰出青年基金等項目的資金支持，在此一并表示衷心的感謝！

（注：以上圖片均來自于相關論文，引文參見文中對應引用）

本文由南京大學余林蔚、徐駿教授課題組供稿。