硅基半导体材料与技术是现代微电子产业与信息社会发展的基础,是关系国计民生、国家核心竞争力的技术保障。2017年我国进口 2601亿美元的集成电路芯片,2018年进口额更是突破三千亿美元,达人民币～2.1万亿,超过原油等大宗商品买卖。因此,加大硅基半导体的研发与投入,探索具有自主知识产权的高性能硅基半导体器件显得尤为重要。硅与锗是电子信息领域最重要的两种半导体材料,1947年贝尔实验室研制出首个晶体管（点接触锗晶体管）,奠定了锗在微电子领域的地位。然而,锗半导体“易热失控”及“表面钝化质量差”等问题限制了其推广与应用,与此同时,性能更为稳定的硅晶体半导体得到了快速的发展与应用,并且遵循摩尔定律,每18个月晶体管数量与器件性能提升一倍。但是,随着传统硅晶体管尺度微缩化逐渐接近物理极限,单纯减小工艺线宽、提高集成密度的方式在近些年已经趋于饱和,需要新的探索与研究以延续及扩展摩尔定律。在延续摩尔定律（Beyond Moore）的探索中,具有3D沟道架构以及更高电容耦合的鳍形栅场效应晶体管（FinFET）逐步成为主流;此外,为追求更高载流子迁移率,利用锗硅晶格应力工程发展出的“应变硅技术”,提升了硅导电沟道的迁移率;进一步,锗具有半导体材料中最高的空穴迁移率,空穴锗沟道与电子硅沟道匹配的FET集成器件,有望构筑更高迁移率、更低功耗的CMOS集成电路器件;最后,锗的玻尔半径24.3 nm（硅4.9 nm）,在相同尺度下锗纳米材料有着更为显著的量子限制效应,这也为实现超低功耗单电子器件、量子自旋FET和高效光电探测提供了关键的材料和技术基础。进入后摩尔时代,越来越多超越摩尔（More than Moore）的器件应用层出不穷,如硅基光电集成与光互连、微纳机电传感、多功能薄膜电子传感等器件。其中,以大面积平板显示、柔性可穿戴器件和人造皮肤传感等应用为代表的新型薄膜电子器件正逐渐成为市场发展的重点与研究的热点。然而,大面积电子器件光刻精度较低（数微米）,难以构筑具备纳米线沟道的FinFET高性能器件,并且,柔性电子器件对硅、锗导电沟道提出了新的要求。因此,探索晶体硅、锗纳米导电沟道形貌、组分的调控方法以及大面积可控制备的技术,是提升半导体性能、实现硅基半导体多功能应用并突破大面积电子器件性能局限的关键。硅（锗）纳米线的制备,主要包括“自上而下”的刻蚀技术与“自下而上”的生长方法。如气液固（Vapor-Liquid-Solid,VLS）方式生长纳米线,金属液滴催化气态前驱体实现纳米线的生长,可以低成本、高效地制备硅、锗纳米线阵列。多年以来,VLS生长模式受到了广泛的关注与研究,然而,气态供给的VLS生长模式通常制备出垂直于衬底的阵列结构纳米线,难以直接兼容主流的平面硅工艺。针对以上根本性问题,本课题组（余林蔚教授）在前期的工作中,最早提出了一种新型的平面固液固（In-plane solid-liquid-solid,IPSLS）生长模式。使用非晶薄膜作固态前驱体,通过金属纳米液滴的催化与引导,在平面内完成纳米线的生长,实现非晶固态前驱体到晶体纳米线的转化。并且可以通过图案化衬底进一步实现纳米线的引导生长与形貌调控,在PECVD系统中完成大面积纳米线阵列的构筑与定位集成。基于以上工作,本论文聚焦于平面硅锗纳米线的形貌、组分调控,及其在光电探测领域的应用,主要开展了以下四个方面的研究:1、平面硅（锗）纳米线形貌调控系统研究了低熔点金属液滴与非晶前驱体以及衬底的匹配关系,利用液滴前后固液界面以及底部衬底接触界面的“相互作用”,实现了 Zigzag、岛链结构、外延等纳米线的生长与形貌调控。为可拉伸晶硅、单电子器件以及高性能FET等器件的应用奠定了基础。其中,利用金属铟、锡作催化剂,非晶锗作前驱体,生长了锗纳米线,讨论了锗纳米线的形貌特点以及锡锗组分。并且在蓝宝石R-plane面上外延生长硅纳米线,作为Silicon-on-Sapphire纳米线沟道构筑了高迁移率的FinFET器件。2、锗硅合金纳米线生长及其组分调控利用PECVD淀积单层非晶锗硅（a-Si1-xGex:H）薄膜作为前驱体,低温（<300℃）生长获得组分均匀的锗硅合金（Si1-xGex）纳米线。通过改变固态前驱体中锗与硅的比例,实现合金纳米线的组分调控,并构筑平面锗硅纳米线光电器件,研究相应光电性质。3、锗岛硅链纳米线生长与调控利用硅/锗异质非晶叠层（a-Si:H上层/a-Ge:H 下层）前驱体生长获得锗岛硅链异质结构纳米线。在IPSLS纳米线生长过程中,利用金属催化液滴在锗/硅异质叠层界面上的自发调制吸收,实现周期性的吸收非晶锗前驱体,形成硅纳米线周期性内嵌锗岛的异质结构。其中,锗岛硅链纳米线岛状结构的组分、周期和直径等参数均可通过非晶叠层前驱体的设计和催化液滴直径的改变实现调控。并且锗硅之间可在几个纳米范围内完成自发转变,获得高质量的突变异质结界面,有利于提升电子电流与空穴电流的注入比。同时,平面锗硅纳米线可以被精确地定位在指定区域,方便后续器件组装与大面积集成。此项研究为探索新型纳米液滴动态物性调控,实现光电功能和器件应用奠定了基础。4、锗岛硅链异质结构纳米线光电器件为系统研究和验证形貌、组分共调控对锗硅异质结构纳米线红外光电性质的影响,构筑了硅纳米线内嵌锗量子点的光电器件,其中,岛内锗含量达到～85 at.%,实现了 1550nm第三通讯波长的光电Mapping,为高密度硅锗平面纳米线光电探测以及后续的光致/电致发光等应用奠定了基础。