径向核－壳异质结构

径向异质结构的可控制备具有重要的意义。首先，纳米线具有非常大的表面－体积比。以直径为10nm的硅纳米线为例，每1 000个原子中，大约有30个原子在纳米线表面。以体积浓度表示，约为1.5×1022 cm－3。由此可知，表面钝化对于纳米尺度的器件性能至关重要，因为表面态对于器件具有许多不利影响。包括：

①由表面电荷引起的能带弯曲，可能导致纳米线表面载流子耗尽；

②高密度表面态将减弱外部施加电压的影响；

③表面态可以作为少数载流子的陷阱，降低光电子器件和其他少数载流子器件（如双极晶体管）的性能；

④界面上的电势波动和陷阱电荷会降低载流子的迁移率。

而在生长过程中对纳米线表面进行钝化（在纳米线核生长完毕之后立刻钝化），可以避免上述负面影响。

纳米线核－壳异质结构具有非常多的潜在应用。电介质外壳可以提供表面态钝化和电隔离。此外，使用高K电介质对纳米线FET的应用非常有益。在作为增益介质的纳米线芯周围包裹电介质外壳可以形成高质量的光学腔。径向异质结构可用于产生垂直于界面的内建电场，为核或壳中的载流子提供限制电势。将径向异质结与掺杂原子层（调制掺杂）结合，可以形成充满高迁移率载流子的二维柱状量子阱。更新的材料组合，如在纳米线芯外面包裹铁电氧化物，可以制备非易失性RAM或可调收发器。这些应用需要开发新的纳米线操纵和器件制备方法，但实现可控制备是第一步。

Lauhon等人［16］发明了一种可控制备各种核－壳材料径向异质结构的普遍方法。其本质是通过改变温度、气体组成和气压等生长参数，使均匀气流沉积在纳米线表面，从而开启壳的径向生长。该方法在i－Si－p－Si核－壳纳米线中得以论证，在基于硅烷的纳米线生长期间引入乙硼烷，导致明显的径向生长和p－Si壳沉积。部分结晶的p－Si壳可以通过退火实现完全结晶。i－Si－p－Si纳米线的场效应迁移率反映了结晶度：无定形，多晶和晶体p－Si壳呈现出连续增加的迁移率，与预期一致。

在平面CVD中，乙硼烷通过在气态中产生更多的反应前驱和络合物增加硅薄膜的生长速率。对于纳米线的生长，在特定的条件下，氢终止硅的位点抑制效应足以防止硅烷的解离吸附，由乙硼烷生成的其他物质更具反应性。他们观察到，相当的背景氢分压会抑制p－Si壳的生长，这与上述解释一致。氢对Ge纳米线生长的影响也支持氢会抑制壳生长的结论，通过抑制氢的解吸附或抑制气态裂解反应实现。

Lauhon等人［17］通过调节反应条件使纳米线由核生长转变为壳生长，制备出Si－Ge和Ge－Si核－壳异质结构。对于Si－Ge核－壳纳米线，将反应物从硅烷切换到锗烷，并保持硅纳米线的生长条件，可以使Si核生长转变为Ge壳生长，这可能是由于锗的热分解更容易。锗为外延生长，表明Ge吸附原子具有显著的表面迁移率。在Ge纳米线表面生长的Si壳，虽然不能通过沉积结晶，但可以通过退火结晶。Si－Ge和Ge－Si核－壳纳米线的界面宽度小于1.5nm。退火过程没有产生明显的Si－Ge界面展宽。

Si－Si和Si－Ge纳米线的电学性能可以反映其异质结构特性。从p－Si－i－Ge和i－Ge－p－Si核－壳纳米线的电流转移特性曲线中可以看出，硅和锗之间的价带差导致了纳米线中的电荷转移和限制。虽然实验中并没有定量测量能带差，但结果的确表明形成了径向调制掺杂FET的可能性，与平面MODFET具有类似的结构。朝着这一目标，使用氧和硅烷，用氧化硅原位涂覆导电的p－Si－i－Ge核－壳纳米线，最后涂覆p－Ge导电层。经合理的加工和器件制备，这些复杂的核－壳纳米线可以作为高性能同轴栅控纳米线FET的基础。该器件展示了制备具有一维通道或圆柱形二维载气的调制径向核－壳FET的可能性，但是为实现这一目标，仍需要大量的制备和表征工作。挑战在于将常规表征方法应用于纳米级器件。例如，尽管这些FET的栅极耦合大于背栅纳米线FET，但是电容太小，无法进行常规的电容电压（C－V）测量。而C－V测量是实现界面态电子光谱的一种手段，可以为器件优化提供有价值的数据。类似地，宏观平面器件的霍尔测试可用于确定多数和少数载流子的浓度，但是这样的测试很难在10nm的纳米线上进行。在纳米结构表征的新工具和方法方面，还有许多挑战。

除了调制掺杂FET具有高迁移率之外，还有其他理由来探索纳米结构的体掺杂。即使在中等掺杂水平下，对于极细的纳米线，如果进行体掺杂，掺杂浓度的波动很大。这是由于掺杂原子数量太少。例如，对于掺杂浓度为1018 cm－3的10nm纳米线，平均每13nm有一个掺杂原子。60nm长通道中的平均掺杂浓度波动大于50%。此外，随着表面－体积比的增加，VLS生长期间掺杂的相分凝影响被放大。这两个因素促使人们制备出用于FET应用的表面掺杂Ge纳米线，旨在自限制单原子层中进行远程掺杂。在特定的条件下，掺杂原子的吸附可以是自限制的，这提供了一条纳米结构可控掺杂的途径，可以使掺杂浓度的波动最小化。

在Lauhon等人［16］的研究中，Si－Ge纳米线的电子性质是由于Si和Ge的间接带隙决定的。Goldberger等［17］证明了GaN－AlGaN氮化物径向异质结构，尽管为自发形成，但在光学中可能非常有用。例如，光泵浦和电泵浦纳米线激光器可以通过适当选择电介质（绝缘或宽带隙）壳来降低激射阈值。