專利名稱：亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管及工作條件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體單電子器件，特別是指一種利用量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)單電子 共振隧穿的二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作條件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體雙勢(shì)壘共振隧穿二極管(DB-RTD是利用束縛能態(tài)實(shí)現(xiàn)量子隧穿輸運(yùn) 的一種電子學(xué)器件；當(dāng)受雙勢(shì)壘束縛的體系具有零維類原子能級(jí)特征時(shí)，由于 每一個(gè)分立能態(tài)只能同時(shí)容納一個(gè)電子，因此電子通過這些類原子能級(jí)體系的 共振隧穿過程成為單電子隧穿過程。單電子隧穿構(gòu)成了電子器件的一個(gè)極限情 形，它在單個(gè)能態(tài)水平上實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，因而在當(dāng)前一些前沿技術(shù)領(lǐng)域具 有重要應(yīng)用，例如高靈敏的電位計(jì)、高量子效率的光探測(cè)器等，也是下一代量 子信息技術(shù)的可能基元。雖然單電子器件可以由碳納米管、有機(jī)大分子等材料體系構(gòu)建，但單電子隧 穿過程的最佳應(yīng)用體系無疑是半導(dǎo)體材料，這既是出于和現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝相兼 容的集成化需要，也有利于實(shí)現(xiàn)光子-電子間的耦合調(diào)控。目前，半導(dǎo)體單電子 器件的主要應(yīng)用障礙在于它的工作溫度。如圖1所示，傳統(tǒng)的經(jīng)過穩(wěn)態(tài)量子化 能級(jí)的單電子隧穿機(jī)制中，工作溫度取決于相鄰分立子能級(jí)之間的能量差和庫 侖阻塞能(零維體系具有很小的電容，同時(shí)容納兩個(gè)或更多凈電荷時(shí)，庫侖作 用引起體系能量的增加，庫侖能的存在和子能級(jí)差一樣，阻塞了多電子同時(shí)隧 穿的發(fā)生)。當(dāng)溫度引起的熱漲落接近庫侖能與子能級(jí)間距之和(也稱電荷注入能)時(shí)，單電子隧穿特征受熱擾動(dòng)的影響(或稱為熱涂抹效應(yīng))不復(fù)存在；而 要在半導(dǎo)體零維體系即量子點(diǎn)中獲得遠(yuǎn)大于室溫?zé)釢q落ar3。。K~25.9meV)的 電荷注入能，其空間尺度在3個(gè)維度上都必須在10納米左右甚至更小，這給半 導(dǎo)體工藝技術(shù)提出了極高的要求；因此當(dāng)前主要的半導(dǎo)體單電子隧穿器件都只 能在低溫下工作，從而限制了單電子器件的廣泛應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容基于上述已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種工作溫度高于傳統(tǒng) 雙勢(shì)壘共振單電子隧穿二極管的亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)，及在 該結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)空穴占據(jù)半導(dǎo)體量子點(diǎn)價(jià)帶能級(jí)形成的亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)單電子共振隧 穿的工作條件。本發(fā)明的亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管，包括襯底，在襯底上依次排 列生長集電極、第二隧道勢(shì)壘層、與發(fā)射極集電極間耦合的量子點(diǎn)、第一隧道 勢(shì)壘層和發(fā)射極。其特征在于所述的集電極是摻雜成n型的半導(dǎo)體層，厚度為100 1000nm，形成了集電 極的導(dǎo)帶底高于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂0.1-0.3 eV，其材料為GaAs, InP或InAs。所述的第二隧道勢(shì)壘層是未摻雜半導(dǎo)體層，厚度為0.5-10 nm，形成了勢(shì)壘 層的導(dǎo)帶能級(jí)高于集電極和量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶底，勢(shì)壘層的價(jià)帶高于集電極材 料的價(jià)帶并低于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂或者與之平齊，其材料為AlGaAs， AlSb。所述的量子點(diǎn)是在第一、第二隧道勢(shì)壘層之間自組織生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)， 材料為InGaAs， GaSb,尺寸小于50 nm。所說的半導(dǎo)體量子點(diǎn)至少為一個(gè)。所述的量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)是在n型集電極和發(fā)射極的背景中，量子點(diǎn)處于空穴占據(jù)狀態(tài)，單個(gè)量子點(diǎn)中的空穴數(shù)為l或多于l。所述的第一隧道勢(shì)壘層是為未摻雜的半導(dǎo)體層、絕緣氧化物層或氮化硅層； 形成了導(dǎo)帶能級(jí)高于集電極和量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶底，勢(shì)壘層價(jià)帶高于發(fā)射極材 料的價(jià)帶并低于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂。半導(dǎo)體層為AlGaAs或AlSb;絕緣氧化物層 為氧化硅或量子點(diǎn)層表面自然氧化獲得。第一隧道勢(shì)壘層的厚度小于第二隧道勢(shì)壘層的厚度。所述發(fā)射極是金屬層或摻雜成n型的半導(dǎo)體層，形成了發(fā)射極的費(fèi)米面位置 高于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂0.1 0.3eV。金屬層為Cu,Au材料，厚度大于30nm;半導(dǎo) 體層為GaAs， InP或InAs材料，厚度為100~1000 nm。亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管的工作條件1) 工作溫度為消除熱擾動(dòng)對(duì)二極管隧穿機(jī)能的影響，器件工作溫度r應(yīng)根據(jù)具體材料體系的能帶隙五g和電容值C判決，溫度限的判決條件是溫度引起的熱漲落需小 于單電荷e注入量子點(diǎn)產(chǎn)生的庫侖能t/或者量子點(diǎn)的帶隙，A為波爾磁曼長數(shù)或A:r<￡g °2) 工作偏壓工作偏壓的選取需使得量子點(diǎn)的空穴占據(jù)態(tài)低于發(fā)射極的費(fèi)米面并高于集 電極的導(dǎo)帶低，具體偏壓值由第一、第二勢(shì)壘層的寬度和高度決定。3) 量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)的獲得量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)是通過量子點(diǎn)的空穴占據(jù)態(tài)獲得的，空穴占據(jù)態(tài)使用光激發(fā)產(chǎn) 生，按激發(fā)波長的選取，分為兩種量子點(diǎn)空穴占據(jù)方式 一種是光子直接激發(fā)量子點(diǎn)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，激發(fā)光子能量/^需要大于量子點(diǎn)帶隙五g;另一種是 激發(fā)光子能量^大于集電極材料的帶隙，光生空穴主要產(chǎn)生在集電區(qū)，經(jīng)擴(kuò)散 或漂移進(jìn)入量子點(diǎn)。本發(fā)明的二極管的工作原理見圖3(b)，在上述工作條件下，使得發(fā)射極費(fèi)米面、集電極導(dǎo)帶和量子點(diǎn)的 空穴占據(jù)能級(jí)三者之間的排列處于共振隧穿狀態(tài)，發(fā)射極電子可以通過量子點(diǎn) 價(jià)帶的空穴態(tài)共振隧穿至集電極導(dǎo)帶能級(jí)。量子點(diǎn)的其它價(jià)帶能級(jí)被電子填充， 根據(jù)費(fèi)米載流子的泡利法則，不能參與隧穿過程；同時(shí)由于能帶隙的存在，量子點(diǎn)導(dǎo)帶的子能級(jí)不能在tr ￡g的工作溫度下通過熱輔助作用參與共振隧穿，這樣雙勢(shì)壘共振隧穿只發(fā)生在一個(gè)或少數(shù)空穴占據(jù)態(tài)，通過控制空穴在量子點(diǎn) 中的占據(jù)情況可以實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的單電子隧穿效應(yīng)。亞穩(wěn)態(tài)量子點(diǎn)隧穿二極管的工作狀態(tài)由偏壓調(diào)節(jié)。在發(fā)射極和集電極間偏壓 的作用下，量子點(diǎn)的能級(jí)相對(duì)電極區(qū)的能帶和費(fèi)米能級(jí)位置發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)能級(jí) 相對(duì)位置偏離共振隧穿狀態(tài)，即量子點(diǎn)價(jià)帶空穴態(tài)能級(jí)低于集電極導(dǎo)帶底或高 于發(fā)射極費(fèi)米面時(shí)，作為隧穿通道的量子點(diǎn)價(jià)帶能級(jí)關(guān)閉，器件中只有暗電流。 當(dāng)偏壓設(shè)置滿足器件共振隧穿工作條件的要求，即量子點(diǎn)的空穴占據(jù)態(tài)處于圖 3(b)所示的相對(duì)能級(jí)狀態(tài)時(shí)，空穴態(tài)作為隧穿通道打開，發(fā)射極電子以器件固有 的特征頻率共振隧穿經(jīng)過量子點(diǎn)到達(dá)集電極，回路中產(chǎn)生相應(yīng)的共振隧穿電流， 電流幅度僅取決于器件的單電子隧穿頻率，不受偏壓、器件尺寸等條件影響。 這樣通過偏壓調(diào)節(jié)量子點(diǎn)雙勢(shì)壘二極管的能級(jí)相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)了器件單電子隧 穿工作狀態(tài)的切換。本發(fā)明提供的共振隧穿二極管有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1. 較高的工作溫度目前所有利用自組織生長量子點(diǎn)穩(wěn)態(tài)能級(jí)實(shí)現(xiàn)單電子 共振隧穿效應(yīng)工作溫度主要取決于量子點(diǎn)的子能級(jí)間距，所以都必須工作在接近液氮(77K)甚至更低的溫度。本發(fā)明利用亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)中單電子隧穿效應(yīng)，工作溫度受限于量子點(diǎn)的能帶隙，目前絕大多數(shù)的量子點(diǎn)能帶隙是子能級(jí)帶隙的5倍以上，因而本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案可以極大的提高量子點(diǎn)共振隧穿二 極管的工作溫度，從而顯著拓展單電子隧穿二極管器件的應(yīng)用。2. 較寬的應(yīng)用范圍自組織量子點(diǎn)是最易制備且晶體質(zhì)量極好的半導(dǎo)體零維結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的二極管結(jié)構(gòu)簡單，而且可應(yīng)用在多數(shù)自組織量子點(diǎn)上。同時(shí) 亞穩(wěn)態(tài)的引入也為對(duì)單電子過程的調(diào)控提供了途徑，可以實(shí)現(xiàn)一些新的技術(shù)應(yīng) 用，例如單光子探測(cè)。


圖1為傳統(tǒng)半導(dǎo)體單電子隧穿二極管結(jié)構(gòu)的能級(jí)示意圖，(a)零偏壓條件； (b)正偏壓條件，其中垂直方向是能量坐標(biāo)，水平方向?yàn)閷?duì)應(yīng)二極管剖面位置的空間坐標(biāo)。圖2為本發(fā)明的亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)的能級(jí)示意圖，(a) 零偏壓條件；(b)正偏壓條件。圖4(a)為實(shí)施例InAs/"-GaAs量子點(diǎn)共振隧穿二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為 能級(jí)示意圖。圖5為InAs/"-GaAs亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管的電流-偏壓工作曲線。圖中標(biāo)示l為發(fā)射極；2為第一隧道勢(shì)壘層；3為半導(dǎo)體量子點(diǎn)； 4為第二隧道勢(shì)壘層；5為集電極；6為襯底；￡f為費(fèi)米能級(jí)；&為量子點(diǎn)的能帶隙；」量子點(diǎn)平均子能級(jí)間距； CB為半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶；VB半導(dǎo)體材料的價(jià)帶。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明實(shí)施例提供一種室溫工作的InAs/GaAs表面量子點(diǎn)雙勢(shì)壘二極管原型結(jié)構(gòu) 及其制備方法。在此方法中，首先在GaAs襯底6上形成n型GaAs集電極層5 接著在集電極層上形成本征GaAs第二隧穿層4。其后，在GaAs第二隧穿層上 形成InAs量子點(diǎn)層3。然后，在lnAs量子點(diǎn)表面形成氧化第一隧穿層2。最后， 以導(dǎo)電掃描探針作為金屬發(fā)射極1。所述的n型GaAs集電極層厚度為1000 nm， n型Si摻雜濃度"1018 cm—3;所述的本征GaAs第二隧穿層厚度為小于4個(gè)原子層；所述的InAs量子點(diǎn)尺寸基底直徑為15~50nm,高度2 12nm;所述的氧化第一隧穿層是通過InAs表面自然氧化獲得；所述的導(dǎo)電掃描探針為金屬或有金屬涂層的掃描探針，針尖曲率半徑 10 50nm。見圖4(a)。參照附圖具體描述本發(fā)明提出的InAs/GaAs量子點(diǎn)雙勢(shì)壘二極管原型結(jié)構(gòu)的 制備方法和工作途徑。其中，InAs/GaAs的量子點(diǎn)材料生長步驟如下首先，在GaAs襯底上610 °C生長n型摻雜GaAs層，厚度1000納米，n型雜質(zhì)為Si，摻雜濃度lxlO"cm'3，該摻雜層構(gòu)成二極管的集電極層；然后，在610。C生長本征GaAs隔離層，厚度4個(gè)原子層，該隔離層一方面 在w-GaAs表面勢(shì)作用下作為第二隧道勢(shì)壘層的一部分，另一方面作為產(chǎn)生空穴 的吸收光層；最后，在520。C生長InAs量子點(diǎn)，沉積厚度約2.4個(gè)原子層。在n型GaAs接近表面處，耗盡區(qū)形成類三角形的勢(shì)壘，構(gòu)成了二極管的第 二隧道勢(shì)壘層；并且由于GaAs價(jià)帶在近表面向上彎曲，便于集電極一側(cè)的光生 空穴進(jìn)入量子點(diǎn)。二極管結(jié)構(gòu)的第一隧道勢(shì)壘層由InAs表面的自然氧化層構(gòu)成，勢(shì)壘高度接 近真空勢(shì)壘，寬度約0.5nm。使用導(dǎo)電納米針尖形成量子點(diǎn)共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)的金屬發(fā)射極(含上電 極)，利用掃描探針顯微方法控制金屬針尖或含金屬涂層的導(dǎo)電針尖定位在一個(gè) InAs量子點(diǎn)上構(gòu)成發(fā)射極(含上電極)。二極管的下電極用常規(guī)半導(dǎo)體工藝在生 長的量子點(diǎn)材料上局部刻蝕至n型GaAs層后制成(圖中未畫)。參考圖4(b),這樣，通過上述步驟，InAs量子點(diǎn)的一側(cè)通過表面勢(shì)壘和摻雜 集電極耦合，另一側(cè)通過氧化勢(shì)壘層和金屬發(fā)射極形成耦合；金屬針尖、InAs 量子點(diǎn)和n型GaAs構(gòu)成了量子點(diǎn)雙勢(shì)壘二極管原型結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上二極管具體結(jié)構(gòu)確定共振隧穿工作條件結(jié)電阻主要由雙勢(shì)壘層決定的二極管原型結(jié)構(gòu)的電阻大于1 GQ，滿足量 子化輸運(yùn)的條件。工作溫度InAs/GaAs量子點(diǎn)的帶隙大于600 meV，因此原型器件可以在室 溫(300K)工作。量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)的獲得使用波長小于876 nm的激發(fā)光入射量子點(diǎn)及其周圍 區(qū)域形成量子點(diǎn)的空穴占據(jù)亞穩(wěn)態(tài)，空穴態(tài)既可以在量子點(diǎn)中直接激發(fā)產(chǎn)生， 也可以由GaAs層中受激產(chǎn)生的空穴注入量子點(diǎn)形成。根據(jù)測(cè)試，二極管的正反向擊穿偏壓分別是-1.8伏和2.1伏；在擊穿偏壓范 圍內(nèi)進(jìn)行電流-偏壓特性的測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。在偏壓由負(fù)值向正值遞變的過程中，電流-偏壓曲線出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，電 流臺(tái)階的高度在二極管擊穿前隨偏壓變化不明顯，對(duì)應(yīng)于InAs量子點(diǎn)價(jià)帶空穴 能態(tài)參與共振隧穿，成為單電子輸運(yùn)的通道，單電子隧穿電流為44.5皮安。改 變激發(fā)光強(qiáng)度時(shí)電流臺(tái)階高度隨之單調(diào)變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了亞穩(wěn)態(tài)(空穴態(tài)) 輔助隧穿的方案設(shè)計(jì)。根據(jù)電流-偏壓曲線確定制備的InAs/GaAs量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)單電子隧穿二極管 的工作偏壓范圍為0.65至1.60伏。
權(quán)利要求
1.一種亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管，包括襯底(6)，在襯底上依次排列生長集電極(5)、第二隧道勢(shì)壘層(4)、與發(fā)射極集電極間耦合的量子點(diǎn)(3)、第一隧道勢(shì)壘層(2)和發(fā)射極(1)，其特征在于所述的集電極是摻雜成n型的半導(dǎo)體層，厚度為100～1000nm，形成了集電極的導(dǎo)帶底高于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂0.1～0.3eV，其材料為GaAs，InP或InAs；所述的第二隧道勢(shì)壘層(4)是未摻雜半導(dǎo)體層，厚度為0.5～10nm，形成了勢(shì)壘層的導(dǎo)帶能級(jí)高于集電極和量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶底，勢(shì)壘層的價(jià)帶高于集電極材料的價(jià)帶并低于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂或者與之平齊，其材料為AlGaAs、AlSb；所述的量子點(diǎn)(3)是在第一、第二隧道勢(shì)壘層之間自組織生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)層，材料為InGaAs，GaSb，尺寸小于50nm；所述的第一隧道勢(shì)壘層是為未摻雜的半導(dǎo)體層、絕緣氧化物層或氮化硅層；形成了導(dǎo)帶能級(jí)高于集電極和量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶底，勢(shì)壘層價(jià)帶高于發(fā)射極材料的價(jià)帶并低于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂；半導(dǎo)體層為AlGaAs或AlSb；絕緣氧化物層為氧化硅或量子點(diǎn)層表面自然氧化獲得；第一隧道勢(shì)壘層的厚度小于第二隧道勢(shì)壘層的厚度；所述發(fā)射極是金屬層或摻雜成n型的半導(dǎo)體層，形成了發(fā)射極的費(fèi)米面高于量子點(diǎn)的價(jià)帶頂0.1～0.3eV；金屬層為Cu，Au材料，厚度大于30nm；半導(dǎo)體層為GaAs，InP或InAs材料，厚度為100～1000nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管，其特征在于 所說的量子點(diǎn)至少為一個(gè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞穩(wěn)態(tài)輔助量子點(diǎn)共振隧穿二極管，其特征在于工作條件為A. 工作溫度為消除熱擾動(dòng)對(duì)二極管隧穿機(jī)能的影響，器件工作溫度r應(yīng)根據(jù)具體材料體系的能帶隙^和電容值C判決，溫度限的判決條件是溫度引起的熱漲落需小于單電荷e注入量子點(diǎn)產(chǎn)生的庫侖能f/或者量子點(diǎn)的帶隙五g， A為波爾磁曼長數(shù)，或A^〈五g ;B. 工作偏壓工作偏壓的選取需使得量子點(diǎn)的空穴占據(jù)態(tài)低于發(fā)射極的費(fèi)米面并高于集 電極的導(dǎo)帶低，具體偏壓值由第一、第二勢(shì)壘層的寬度和高度決定；C. 量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)的獲得量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)是通過量子點(diǎn)的空穴占據(jù)態(tài)獲得的，空穴占據(jù)態(tài)使用光激發(fā)產(chǎn) 生，按激發(fā)波長的選取，分為兩種量子點(diǎn)空穴占據(jù)方式 一種是光子直接激發(fā)量子點(diǎn)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，激發(fā)光子能量/^需要大于量子點(diǎn)帶隙^;另一種是激發(fā)光子能量h大于集電極材料的帶隙，光生空穴主要產(chǎn)生在集電區(qū)，經(jīng)擴(kuò)散 或漂移進(jìn)入量子點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)及工作條件。該結(jié)構(gòu)包括襯底，在襯底上依次排列生長集電極、第二隧道勢(shì)壘層、與發(fā)射極集電極間耦合的量子點(diǎn)、第一隧道勢(shì)壘層和發(fā)射極。工作條件包括工作溫度，工作偏壓，量子點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)的獲得。它可以消除量子點(diǎn)鄰近子能級(jí)對(duì)亞穩(wěn)能態(tài)單電子隧穿的影響，達(dá)到提高二極管工作溫度的目的。
文檔編號(hào)H01L29/66GK101217164SQ20071017351
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 甄紅樓, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所