纳米半导体材料及其纳米器件研究进展
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Ｍａｒｃｈ ２００１
学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程 M OCVD 是在常压或低压 To rr 量级 下生长 的 氢气携带的金属有机物源 如 族 在扩散 通过衬底表面的停滞气体层时会部分或全部分解成
族原子 在衬底表面运动迁移到合适的晶格位 置 并捕获在衬底表面已热解了的 族原子 从 而形成 - 族化合物或合金 在通常温度下 MOCVD生长速率主要是由 族金属有机分子通过
２．３ 应变自组装纳米量子点 线 结构生长技术
异质外延生长过程中 根据晶格失配和表
面 界面能不同 存在着三种生长模式[8] 晶格
匹配体系的二维层状 平面 生长的 F rank - Van
der Merwe 模式;大晶格失配和大界面能材料体系的
三维岛状生长模式 即 Volmer-Weber 模式 大晶
２ 半导体纳米结构的制备技术
半导体纳米结构材料的发展很大程度上是依赖 材料先进生长技术 MBE, MOCVE 等 和精细加 工工艺 聚焦电子 离子束和 x- 射线 光刻技术 等 的进步 本节将首先介绍 MBE 和 MOCVD 技 术 进而介绍如何将上述两种技术结合起来实现纳 米量子线和量子点结构材料的制备 并对近年来得 到迅速发展的应变自组装制备量子点 线 和量子 点 线 阵列方法进行较详细讨论 最后对其它制 备技术也将加以简单介绍
目前 除研究型的 MBE 外 生产型的 MBE 设备也已有商品出售 如 Riber’s MBE6000 和VG Semicon’s V150 MBE 系统 每炉可生产 9×4" 4×6" 或 45×2" 片 每炉装片能力分别为 80×6" 180×4" 片和 64×6" 144×4" 片 App lied EPI MBE’s GEN2000 MBE 系统 每炉可生产 7×6" 片 每炉装片能力为 182×6" 片
类似的技术还有化学束外延(CB E)[6,7] 金属 有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束 外延(GSMBE ) 这二者与 CBE 不同 都使用部 分固态源
２．２ 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制
备技术
利用 MBE 或 MOCVD 等技术首先生长半导体 微结构材料如 AlGaAs/GaAs 2DEG 材料等 进 而结合高空间分辨电子束曝光直写 湿法或干法 刻蚀和微细离子束注入隔离制备纳米量子线和量子 点 利用这种办法 原则上可产生最小特征宽度 为 10nm 的结构 并已制成具有二维和三维约束效 应的纳米量子线 量子点及其阵列
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ２ 14
上述方法的优点是图形的几何形状和密度 在分辨率范围内 可控 其缺点是图形实际分 辨率不高 因受电子束背散射效应等影响 一般 在几十纳米 横向尺寸远比纵向尺寸大 边墙 辐射 刻蚀 损伤 缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等
１ 引 言
低维半导体材料 通常是指除三维体材料之外 的二维超晶格 量子阱材料 一维量子线和零维 量子点材料 从物理上讲 它们是正统的纳米半导 体材料 二维超晶格 量子阱材料 是指载流子在 两个方向 如在 x, y 平面内 上可以自由运动 而 在另外一个方向(z)则受到约束 即材料在这个方 向的尺寸与电子的德布洛意波长(λd=h/ 2m × E )或 电子的平均自由程相比拟或更小 一维量子线材 料 是指载流子仅在一个方向可以自由运动 而在 另外两个方向则受到约束 零维量子点(QDs)材 料 是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的 材料系统 即电子在三个维度上的能量都是量子化 的 本文主要讨论一维量子线和零维量子点半导体 材料
３ 纳米半导体材料的评价技术
随着材料尺寸减小到纳米量级范围时 现有 的基于反映体材料的宏观平均性质的实验技术都不 再适用 需要发展新的纳米尺度的测试分析技 术 下面作简要地介绍
３．１ ＳＴＭ 和 ＡＦＭ 原位检测技术［１０，１１］
扫描探针显微术是利用探针针尖与表面原子间 的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子 结构的 STM 和AFM就是最近研制成功的这种技 术
十 nm 高约几个 nm 通常称作为量子点
三
维岛
状
生长
的
t
由
c
异质
外
延材
料
晶格
失
配度
和生长条件 如衬底温度 / 比量子
点尺寸和分布均匀 ≤10% 密度为 108~1011cm-2 和无缺陷的量子点材料 这种方法的优点是可将
QDs 的横向尺寸缩小到几十纳米以内 可做到无
损伤 缺点是量子线和量子点的几何形状 尺
寸 均匀性和密度较难控制
２．４ 半导体纳米结构材料的其它制备技术
除上述的方法外 其它的制备技术主要有：在 图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技 术 如利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技 术 解理面再生长技术 高指数面生长技术等;在
Ｍａｒｃｈ ２００１
沸石的笼子中或在碳纳米管中 通过物理或化学 方法制备量子点 线 技术以及采用苯热法制备 纳米半导体材料等
还应特别指出的是单原子操纵和加工技术 目前 利用 STM 技术 不仅可以在电场蒸发作用 下从硅表面上移走单个 Si 原子 将它放置在表面 任何位置 也可将这个 Si 原子放入表面的单原子 缺陷中去 从而实现原子修饰等功能[9] 单原子 操纵和加工技术虽已显示出诱人的前景 但距实 用化还有很长的路要走 如 用场发射 STM 技 术 1µs 写一个量子点 600ns 写 400ns 移动脉 冲 需 4 个月才能完成 1TBit 记忆芯片 106×106) 制备 显然 这是没有实用价值的 最近 已将 STM 和 MEMS 结合起来形成了多元阵列 是这种 技术向实用化迈出的重要一步
浸润层厚度增加 应变能不断积累 当浸润层厚度
达到某一个临界厚度t 时 外延生长过程则由二维 c
平面生长向三维岛状生长过渡 实验上 可由
RHEED 花样由条状向点状变化控制 三维岛状
生长初期 形成的纳米量级尺寸小岛周围是无位错
的 若用禁带宽度较大的材料将其包围起来 小岛
中的载流子将受到三维限制 小岛的直径一般为几
STM 的工作原理是基于量子隧道效应 在金 属针尖与金属或半导体样品间加一偏置电压 且 当针尖与样品间距小于 1nm 时 电子将穿透针尖 与样品表面间的势垒而产生隧道电流 由于隧道 电流与针尖和样品表面间距呈指数依赖关系 故 隧道电流对样品表面起伏非常敏感
STM实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针 尖在样品表面(x y)和垂直于表面的 z 方向作三维 运动 从而实现对样品表面形貌的测量 STM 的 工作模式可分恒高度和恒电流两种模式 恒高度 模式是保持针尖与样品表面距离 最大 一定 事实上当针尖在样品表面扫描时 针尖与样品表 面的间距将随样品表面起浮而改变 记录隧道电 流随 x 和 y 位置的变化轨迹 便可直接获得样品表
纳米半导体材料及其纳米器件研究进展
王占国
中国科学院半导体研究所 半导体材料科学实验室 北京 １０００８３
摘要 简单介绍纳米半导体材料的定义 性质及其在未来信息技术中的地位 分别讨论半导体纳米结 构的制备方法与评价技术 对近年来纳米半导体材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展 存在的问 题和发展的趋势作扼要的综述 最后 结合国情和我国在该领域的研究现状 提出发展我国纳米半导体材 料的战略设想
研制创造了条件 这类纳米器件以其固有的超高速 10－ 12~1 0－ 13sec 超高频 >10 00GHz 高集
成度 >1010 元器件 /cm2 高效低功耗和极低阈 值电流密度 亚微安 极高量子效率 高的调 制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的 纳米电子学 光子学和光电集成以及 ULSI 等方面 有着极其重要应用前景 极有可能触发新的技术革 命 成为新世纪信息技术的支柱 美 日 西欧等 工业发达国家先后集中人力和物力建立了 10 多个 这样的研究中心或实验基地 特别是美国 于今年 初提出了纳米技术倡议 2001年拨出专款近5亿美 元 加速纳米科学技术的研究开发步伐 力图在21 世纪初能在这一新兴的高科技领域占主导地位
２．１ ＭＢＥ 和 ＭＯＣＶＤ 生长技术 2.1.1 分子束外延(MBE)技术[1~3]
MBE 技术实际上是超高真空条件下 对分子 或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技
Ｍａｒｃｈ ２００１
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ２ 13
术 通常认为 MBE 材料生长机理与建立在热力学 平衡条件下的 LPE 和 VPE 不同 即是说分子 原 子 束在衬底表面上发生的过程是受动力学支配 的 研究表明: MBE 生长过程实际上是一个具有 热力学和动力学同时并存 相互关联的系统 只 有在由分子束源产生的分子 原子 束不受碰撞 地直接喷射到受热的洁净衬底表面 并在表面上 迁移 吸附或通过反射 或脱附 过程离开表 面 而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平 衡区 使晶体生长过程接近于热力学平衡条件 即使每一个结合到晶格中的原子都能选择到一个自 由能最低的格点位置 才能生长出高质量的 MBE 材料
MBE 还有利于同其它微细加工技术如 超微 细离子注入技术 扫描隧道电镜(ST M)技术 电 子束曝光技术和反应离子刻蚀及其图形化生长技术 相结合 以期实现近年来很受重视的纳米量子 线 量子点材料的制备 2.1.2 金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)技术[4,5]
MOCVD或MOVPE是和MBE同时发展起来的 另一种先进的外延生长技术 MOCVD 是用氢气 将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开 关网络送入反应室加热的衬底上 通过热分解反 应而最终在其上生长出外延层的技术 它的生长 过程涉及气相和固体表面反应动力学 流体动力
格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到
岛状生长的 Stranski-Krastanow(SK)模式
应变自组装纳米量子点结构材料的制备是利用
SK 生长模式 他主要用于描述具有较大晶格失
配 而界面能较小的异质结构材料生长行为 SK模
式生长的初始阶段是二维平面生长 通常只有几个
原子层厚 称之为浸润层 Wett ing layer 随着
MBE 与其它传统生长技术 LPE, VPE 等 相 比有许多优点 如在系统中配置必要的仪器便可 对外延生长的表面 生长机理 外延层结晶学质 量以及电学性质进行原位检测和评估; 它的生长速 率慢和喷射源束流的精确控制有利于获得超薄层和 单原子层界面突变的异质结构 通过对合金组分 和杂质浓度的控制 实现对其能带结构和光电性 质的 人工剪裁 从而制备出各种复杂势能轮 廓和杂质分布的超薄层微结构材料
纳米半导体材料是一种自然界不存在人工制造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 它具有与 体材料截然不同的性质 随着材料维度的降低和结 构特征尺寸的减小( 100nm) 量子尺寸效应 量 子干涉效应 量子隧穿效应 库仑阻塞效应以及多 体关联和非线性光学效应都会表现得越来越明显 这将从更深的层次揭示出纳米半导体材料所特有的 新现象 新效应 MBE MOCVD 技术 超微细 离子束注入加工和电子束光刻技术等的发展为实现 纳米半导体材料生长 制备 纳米器件 量子干涉 晶体管 量子线场效应晶体管 单电子晶体管和单 电子存储器以及量子点激光器 微腔激光器等 的
边界层 停滞层的扩散速率来决定的 一般来 说 为了得到较好质量的外延层 生长条件要选 在生长速度的扩散控制区进行 也就是说外延生 长是在准热力学平衡条件下进行的
MOCVD的主要优点是适合于生长各种单质和 化合物薄膜材料 特别是蒸气压高的磷化物 高 Tc 超导氧化物及金属薄膜等 另外 MOCVD 用 于生长化合物的各组分和掺杂剂都是气态源 便 于精确控制及换源无需将系统暴露大气 生长速 率较 MBE 大以及单温区外延生长 需要控制的参 数少等特点 使 MOCVD 技术有利于大面积 多 片的工业规模生产 目前工业生产型 MOCVD 设 备已研制成功并投入生产 如 AIX 2600G3 每炉 可生长 5×6" 或 9×4" 片 每台年生产能力为 3. 75×104 片 4" 或 1.5×104 片 6" AIX 3000 每炉可生 长 5×10" 或 25×4" 或 95×2" 片的设备也已研制成 功 MOCVD 技术的弱点除 Mo 源和氢化物毒性 大 化学污染需倍加防范外 较高的生长温度使 材料纯度和界面质量与 MBE 相比要差
学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程 M OCVD 是在常压或低压 To rr 量级 下生长 的 氢气携带的金属有机物源 如 族 在扩散 通过衬底表面的停滞气体层时会部分或全部分解成
族原子 在衬底表面运动迁移到合适的晶格位 置 并捕获在衬底表面已热解了的 族原子 从 而形成 - 族化合物或合金 在通常温度下 MOCVD生长速率主要是由 族金属有机分子通过
２．３ 应变自组装纳米量子点 线 结构生长技术
异质外延生长过程中 根据晶格失配和表
面 界面能不同 存在着三种生长模式[8] 晶格
匹配体系的二维层状 平面 生长的 F rank - Van
der Merwe 模式;大晶格失配和大界面能材料体系的
三维岛状生长模式 即 Volmer-Weber 模式 大晶
２ 半导体纳米结构的制备技术
半导体纳米结构材料的发展很大程度上是依赖 材料先进生长技术 MBE, MOCVE 等 和精细加 工工艺 聚焦电子 离子束和 x- 射线 光刻技术 等 的进步 本节将首先介绍 MBE 和 MOCVD 技 术 进而介绍如何将上述两种技术结合起来实现纳 米量子线和量子点结构材料的制备 并对近年来得 到迅速发展的应变自组装制备量子点 线 和量子 点 线 阵列方法进行较详细讨论 最后对其它制 备技术也将加以简单介绍
目前 除研究型的 MBE 外 生产型的 MBE 设备也已有商品出售 如 Riber’s MBE6000 和VG Semicon’s V150 MBE 系统 每炉可生产 9×4" 4×6" 或 45×2" 片 每炉装片能力分别为 80×6" 180×4" 片和 64×6" 144×4" 片 App lied EPI MBE’s GEN2000 MBE 系统 每炉可生产 7×6" 片 每炉装片能力为 182×6" 片
类似的技术还有化学束外延(CB E)[6,7] 金属 有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束 外延(GSMBE ) 这二者与 CBE 不同 都使用部 分固态源
２．２ 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制
备技术
利用 MBE 或 MOCVD 等技术首先生长半导体 微结构材料如 AlGaAs/GaAs 2DEG 材料等 进 而结合高空间分辨电子束曝光直写 湿法或干法 刻蚀和微细离子束注入隔离制备纳米量子线和量子 点 利用这种办法 原则上可产生最小特征宽度 为 10nm 的结构 并已制成具有二维和三维约束效 应的纳米量子线 量子点及其阵列
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ２ 14
上述方法的优点是图形的几何形状和密度 在分辨率范围内 可控 其缺点是图形实际分 辨率不高 因受电子束背散射效应等影响 一般 在几十纳米 横向尺寸远比纵向尺寸大 边墙 辐射 刻蚀 损伤 缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等
１ 引 言
低维半导体材料 通常是指除三维体材料之外 的二维超晶格 量子阱材料 一维量子线和零维 量子点材料 从物理上讲 它们是正统的纳米半导 体材料 二维超晶格 量子阱材料 是指载流子在 两个方向 如在 x, y 平面内 上可以自由运动 而 在另外一个方向(z)则受到约束 即材料在这个方 向的尺寸与电子的德布洛意波长(λd=h/ 2m × E )或 电子的平均自由程相比拟或更小 一维量子线材 料 是指载流子仅在一个方向可以自由运动 而在 另外两个方向则受到约束 零维量子点(QDs)材 料 是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的 材料系统 即电子在三个维度上的能量都是量子化 的 本文主要讨论一维量子线和零维量子点半导体 材料
３ 纳米半导体材料的评价技术
随着材料尺寸减小到纳米量级范围时 现有 的基于反映体材料的宏观平均性质的实验技术都不 再适用 需要发展新的纳米尺度的测试分析技 术 下面作简要地介绍
３．１ ＳＴＭ 和 ＡＦＭ 原位检测技术［１０，１１］
扫描探针显微术是利用探针针尖与表面原子间 的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子 结构的 STM 和AFM就是最近研制成功的这种技 术
十 nm 高约几个 nm 通常称作为量子点
三
维岛
状
生长
的
t
由
c
异质
外
延材
料
晶格
失
配度
和生长条件 如衬底温度 / 比量子
点尺寸和分布均匀 ≤10% 密度为 108~1011cm-2 和无缺陷的量子点材料 这种方法的优点是可将
QDs 的横向尺寸缩小到几十纳米以内 可做到无
损伤 缺点是量子线和量子点的几何形状 尺
寸 均匀性和密度较难控制
２．４ 半导体纳米结构材料的其它制备技术
除上述的方法外 其它的制备技术主要有：在 图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技 术 如利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技 术 解理面再生长技术 高指数面生长技术等;在
Ｍａｒｃｈ ２００１
沸石的笼子中或在碳纳米管中 通过物理或化学 方法制备量子点 线 技术以及采用苯热法制备 纳米半导体材料等
还应特别指出的是单原子操纵和加工技术 目前 利用 STM 技术 不仅可以在电场蒸发作用 下从硅表面上移走单个 Si 原子 将它放置在表面 任何位置 也可将这个 Si 原子放入表面的单原子 缺陷中去 从而实现原子修饰等功能[9] 单原子 操纵和加工技术虽已显示出诱人的前景 但距实 用化还有很长的路要走 如 用场发射 STM 技 术 1µs 写一个量子点 600ns 写 400ns 移动脉 冲 需 4 个月才能完成 1TBit 记忆芯片 106×106) 制备 显然 这是没有实用价值的 最近 已将 STM 和 MEMS 结合起来形成了多元阵列 是这种 技术向实用化迈出的重要一步
浸润层厚度增加 应变能不断积累 当浸润层厚度
达到某一个临界厚度t 时 外延生长过程则由二维 c
平面生长向三维岛状生长过渡 实验上 可由
RHEED 花样由条状向点状变化控制 三维岛状
生长初期 形成的纳米量级尺寸小岛周围是无位错
的 若用禁带宽度较大的材料将其包围起来 小岛
中的载流子将受到三维限制 小岛的直径一般为几
STM 的工作原理是基于量子隧道效应 在金 属针尖与金属或半导体样品间加一偏置电压 且 当针尖与样品间距小于 1nm 时 电子将穿透针尖 与样品表面间的势垒而产生隧道电流 由于隧道 电流与针尖和样品表面间距呈指数依赖关系 故 隧道电流对样品表面起伏非常敏感
STM实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针 尖在样品表面(x y)和垂直于表面的 z 方向作三维 运动 从而实现对样品表面形貌的测量 STM 的 工作模式可分恒高度和恒电流两种模式 恒高度 模式是保持针尖与样品表面距离 最大 一定 事实上当针尖在样品表面扫描时 针尖与样品表 面的间距将随样品表面起浮而改变 记录隧道电 流随 x 和 y 位置的变化轨迹 便可直接获得样品表
纳米半导体材料及其纳米器件研究进展
王占国
中国科学院半导体研究所 半导体材料科学实验室 北京 １０００８３
摘要 简单介绍纳米半导体材料的定义 性质及其在未来信息技术中的地位 分别讨论半导体纳米结 构的制备方法与评价技术 对近年来纳米半导体材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展 存在的问 题和发展的趋势作扼要的综述 最后 结合国情和我国在该领域的研究现状 提出发展我国纳米半导体材 料的战略设想
研制创造了条件 这类纳米器件以其固有的超高速 10－ 12~1 0－ 13sec 超高频 >10 00GHz 高集
成度 >1010 元器件 /cm2 高效低功耗和极低阈 值电流密度 亚微安 极高量子效率 高的调 制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的 纳米电子学 光子学和光电集成以及 ULSI 等方面 有着极其重要应用前景 极有可能触发新的技术革 命 成为新世纪信息技术的支柱 美 日 西欧等 工业发达国家先后集中人力和物力建立了 10 多个 这样的研究中心或实验基地 特别是美国 于今年 初提出了纳米技术倡议 2001年拨出专款近5亿美 元 加速纳米科学技术的研究开发步伐 力图在21 世纪初能在这一新兴的高科技领域占主导地位
２．１ ＭＢＥ 和 ＭＯＣＶＤ 生长技术 2.1.1 分子束外延(MBE)技术[1~3]
MBE 技术实际上是超高真空条件下 对分子 或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技
Ｍａｒｃｈ ２００１
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ２ 13
术 通常认为 MBE 材料生长机理与建立在热力学 平衡条件下的 LPE 和 VPE 不同 即是说分子 原 子 束在衬底表面上发生的过程是受动力学支配 的 研究表明: MBE 生长过程实际上是一个具有 热力学和动力学同时并存 相互关联的系统 只 有在由分子束源产生的分子 原子 束不受碰撞 地直接喷射到受热的洁净衬底表面 并在表面上 迁移 吸附或通过反射 或脱附 过程离开表 面 而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平 衡区 使晶体生长过程接近于热力学平衡条件 即使每一个结合到晶格中的原子都能选择到一个自 由能最低的格点位置 才能生长出高质量的 MBE 材料
MBE 还有利于同其它微细加工技术如 超微 细离子注入技术 扫描隧道电镜(ST M)技术 电 子束曝光技术和反应离子刻蚀及其图形化生长技术 相结合 以期实现近年来很受重视的纳米量子 线 量子点材料的制备 2.1.2 金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)技术[4,5]
MOCVD或MOVPE是和MBE同时发展起来的 另一种先进的外延生长技术 MOCVD 是用氢气 将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开 关网络送入反应室加热的衬底上 通过热分解反 应而最终在其上生长出外延层的技术 它的生长 过程涉及气相和固体表面反应动力学 流体动力
格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到
岛状生长的 Stranski-Krastanow(SK)模式
应变自组装纳米量子点结构材料的制备是利用
SK 生长模式 他主要用于描述具有较大晶格失
配 而界面能较小的异质结构材料生长行为 SK模
式生长的初始阶段是二维平面生长 通常只有几个
原子层厚 称之为浸润层 Wett ing layer 随着
MBE 与其它传统生长技术 LPE, VPE 等 相 比有许多优点 如在系统中配置必要的仪器便可 对外延生长的表面 生长机理 外延层结晶学质 量以及电学性质进行原位检测和评估; 它的生长速 率慢和喷射源束流的精确控制有利于获得超薄层和 单原子层界面突变的异质结构 通过对合金组分 和杂质浓度的控制 实现对其能带结构和光电性 质的 人工剪裁 从而制备出各种复杂势能轮 廓和杂质分布的超薄层微结构材料
纳米半导体材料是一种自然界不存在人工制造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 它具有与 体材料截然不同的性质 随着材料维度的降低和结 构特征尺寸的减小( 100nm) 量子尺寸效应 量 子干涉效应 量子隧穿效应 库仑阻塞效应以及多 体关联和非线性光学效应都会表现得越来越明显 这将从更深的层次揭示出纳米半导体材料所特有的 新现象 新效应 MBE MOCVD 技术 超微细 离子束注入加工和电子束光刻技术等的发展为实现 纳米半导体材料生长 制备 纳米器件 量子干涉 晶体管 量子线场效应晶体管 单电子晶体管和单 电子存储器以及量子点激光器 微腔激光器等 的
边界层 停滞层的扩散速率来决定的 一般来 说 为了得到较好质量的外延层 生长条件要选 在生长速度的扩散控制区进行 也就是说外延生 长是在准热力学平衡条件下进行的
MOCVD的主要优点是适合于生长各种单质和 化合物薄膜材料 特别是蒸气压高的磷化物 高 Tc 超导氧化物及金属薄膜等 另外 MOCVD 用 于生长化合物的各组分和掺杂剂都是气态源 便 于精确控制及换源无需将系统暴露大气 生长速 率较 MBE 大以及单温区外延生长 需要控制的参 数少等特点 使 MOCVD 技术有利于大面积 多 片的工业规模生产 目前工业生产型 MOCVD 设 备已研制成功并投入生产 如 AIX 2600G3 每炉 可生长 5×6" 或 9×4" 片 每台年生产能力为 3. 75×104 片 4" 或 1.5×104 片 6" AIX 3000 每炉可生 长 5×10" 或 25×4" 或 95×2" 片的设备也已研制成 功 MOCVD 技术的弱点除 Mo 源和氢化物毒性 大 化学污染需倍加防范外 较高的生长温度使 材料纯度和界面质量与 MBE 相比要差