纳米半导体综述
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表1量子点激光器的物理优势
激光器参数
量子阱
量子点
阈值电流密度
特征温度 理论值
饱和增益
最大微分增益
激射机制
基态占据时间
子能级间弛豫实践
43A/ , 300K
285K
约3000
电子—空穴等离子体声子辅助激子（宽带隙材料）
20~100ps
1ps
16A// ,300K
无限大
15000 （三层）
约 （阈值处）
纳米半导体材料研究综述
摘要：本篇综述简要介绍纳米半导体材料定义、种类及制备技术以及各种制备技术的评价，并简述各类材料的性质及应用，以及纳米半导体的当前发展状况，并对未来发展趋势和方向作了展望。
关键词：纳米半导体材料制备应用趋势展望
1引言
半导体材料物理作为凝聚态物理的一个活跃分支，在半个多世纪以来已经在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体各个领域取得了令世人瞩目的重大进展，而纳米半导体随着研究的不断深化和纳米科技的急速兴起也迅速发展，目前以纳米团簇、量子线、量子点为主的纳米结构研究一直是纳米材料研究的热点，也已经取得了很大的进展。
2Байду номын сангаас米半导体材料的制备
从20世纪70年代以来，以分子束外延、金属有机物化学气相沉淀等为代表的先进薄层材料生长技术，超精细原子加工和电子束光刻技术等的不断发展、完善与进步，以及随后发展起来的应变自组装半导体量子点、量子线生长技术等为纳米半导体材料的生长、制备和量子器件的研制创造了条件。
纳米半导体材料的制备原则上可以概括为“自上而下”和“自下而上”两种技术。所谓的“自下而上”就是指以半导体应变自组装和气—液—固生长技术，而“自上而下”则主要指采用超晶格、量子阱材料生长与高空间分辨的刻蚀工艺相结合的技术。“自下而上”的物理或化学制备纳米半导体材料的方法具有简便、廉价等优点，但纳米颗粒的形状、尺寸不均匀，密度和空间分布有序性难以控制；采用“自上而下”的方法，虽然可以克服上述方法的某些不足，但受空间分辨率、加工损伤和杂志污染等影响，也难以满足纳米半导体器件的要求。因此两种技术的结合，取长补短很有希望成为未来制备纳米半导体器件的重要技术。目前常用的且比较成功的制备方法有（1）湿法，如化学沉淀法、溶胶—凝胶法、微乳液法、水热合成法、模板合成法等；（2）固相干法，如研磨法、烧结法、气流撞击法；（3）气相法，如激光气相沉积法。还有一些其它的特殊方法如重力分选法、蒸汽冷凝法、辐射合成法。
纳米半导体材料是一种自然界中并不存在的人工制造的新型半导体材料。从物理上讲，二维超晶格、量子阱材料、一维量子线、零维量子点是正统的纳米半导体材料。其中，二维超晶格、量子阱材料是指载流子在两个方向上可以自由运动而在另一个方向上受约束，即材料在约束方向的尺寸与电子的德布罗意波长或电子平均自由程相比拟或更小。一维量子线指载流子只能在一个方向上自由运动。零维量子点则在三个维度上都受到约束，能量在三个维度上都是量子化的。随着材料维度的降低和结构特征尺度的减小，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应、库伦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，呈现出高表面积和量子效应引起的独特性能，这使得纳米半导体材料表现出独特的物理性质，表现出纳米半导体材料所特有的新现象、新效应。比如光电催化特性，光电转换特性以及电学特征，利用纳米半导体的这些独特特性，可以用来研究制作单电子存储器以及量子激光器等，为新型科技的产生带来了可能。
3纳米半导体器件
半导体科学技术发展的宗旨就是利用不同半导体所具有的物理性质，设计和制作各种固态电子器件与集成电路，以解决社会科技发展带来的需求。性能优异的半导体器件的实现有赖于高质量半导体材料的制备、合理器件结构的设计和优化工艺条件的选取。在纳米半导体材料的制备技术不断发展和成熟的条件下，借助自组织与分子自组织技术、模板合成技术、介孔内延生长等一系列技术，以及人工对纳米半导体材料物理性质的控制技术，人们已经研制成功各种纳米半导体器件。如纳米整流二极管、场效应晶体管、高电子迁移率晶体管、单电子隧道晶体管、单电子存储元件、量子点激光器等。这些纳米半导体器件主要分为两大类：一类为纳电子器件，另一类为纳光电子器件。也可按照载流子在纳米结构中受限的程度分为三类：一维受限的超晶格、量子阱器件，如量子阱激光器；二维受限的量子线器件如纳米场效应晶体管；三维受限的量子点器件，如单电子存储器。
参考文献
[1]马洪磊，薛成山.纳米半导体[M].北京：国防工业出版社
[2]王占国，陈涌海，叶小玲等.纳米半导体技术[M].北京：化学工业出版社
[3]彭英才，赵新为，傅广生.低维量子器件物理[M].北京：科学出版社
[4]彭英才，傅广生.半导体物理研究的回顾与展望[J].自然杂志
[5]王占国.纳米半导体材料及其纳米器件研究进展[J].中科院半导体研究所
[10]LeutwylerW K,BürgiS L,BurglH B. Semiconductor clusters,nanocrystals, and quantumdots[J]. Science, 1996
[11]Kim K. Technology challenges for deep-nanosemiconductor[C]//Memory Workshop (IMW), 2010 IEEE International. IEEE, 2010
[6]李占双.纳米半导体的合成现状[J].化学工程师
[7]倪永红，葛学武等.纳米材料制备研究的若干新进展[J].无极材料学报
[8]李新勇，李树本.纳米半导体研究进展[J].化学进展
[9]LiqiangJ,YichunQ,BaiqiW, et al. Review of photoluminescence performance ofnano-sized semiconductor materials and its relationships withphotocatalyticactivity[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006
是
是
是
不可能
不可能
否
否
受抑制
可能
可能
5发展趋势及未来展望
自从20世纪40年代末期晶体管发明以来，半导体器件的发展已经走过了60多个春秋，纵观其发展历史可以看出，每伴随着一次材料制备技术的革新，就会有一批新的器件诞生。尤其是90年代自组织生长技术的出现，使各类量子点电子器件应运而生。进入21世纪以来，同时出现了多元化半导体器件竞相发展的新局面。目前，纳米光子器件，磁性纳米器件，量子信息处理器件等都在迅速发展，可以预期，在今后的几十年中，单电子器件，单光子器件，光子晶体器件等低维量子器件会为信息科学技术带来发展的新曙光。
4纳米半导体的应用
纳米半导体器件由于量子效应而具有许多独特的性质，尤其在光电性质方面，因此人们利用这些器件及其集成电路，在通信技术、计算机技术和电子线路技术中发挥着巨大作用，极大地促进了整个信息科学技术的迅速发展。以下简要介绍一下低维光电子器件。
低维光电子器件主要是指具有优异光发射特性的量子结构激光器和具有良好光吸收特性的量子结构红外光探测器和量子结构太阳电池等。
激子或双激子（对称的增益曲线，低啁啾，激子波导）
20~40ps（单量子点）
小于15ps（耦合量子点）
20~40ps（单量子点）
表2量子点激光器的技术优势
激光器参数
量子阱
量子点
非平衡载流子扩散到条形外
表面复合导致腔面过热
载流子扩散到位错后非辐射复合导致位错生长
自支撑微条或者微腔
GaAs/InGaAs/GaAs(001)结构室温1.3 发光
量子阱激光器是最早被研制成功的低维光电子器件。在1982年，日本东京大学的Arakawa等提出量子线和量子点激光器的概念并预言由于量子线和量子点比量子阱具有更强的量子限制效应，因此由它们制作的激光器会具有更低的阈值电流密度，而且同温度的依赖关系也会进一步减弱。然而早期的量子线和量子点激光器采用对量子阱结构进行再蚀刻方法制作的，由于蚀刻过程中会在量子线或量子点表面产生许多缺陷和损伤，同时衬底表面空间利用率也比较低，这对产生光激射非常不利。直到1994年，人们利用量子点自组织生长技术，即利用生长材料与衬底间具有一定晶格失配度的特点进行量子点的生长，成功研制了第一台InAS/GaAs量子点激光器。量子点激光器的物理优势和技术优势如下表所示。
激光器参数
量子阱
量子点
阈值电流密度
特征温度 理论值
饱和增益
最大微分增益
激射机制
基态占据时间
子能级间弛豫实践
43A/ , 300K
285K
约3000
电子—空穴等离子体声子辅助激子（宽带隙材料）
20~100ps
1ps
16A// ,300K
无限大
15000 （三层）
约 （阈值处）
纳米半导体材料研究综述
摘要：本篇综述简要介绍纳米半导体材料定义、种类及制备技术以及各种制备技术的评价，并简述各类材料的性质及应用，以及纳米半导体的当前发展状况，并对未来发展趋势和方向作了展望。
关键词：纳米半导体材料制备应用趋势展望
1引言
半导体材料物理作为凝聚态物理的一个活跃分支，在半个多世纪以来已经在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体各个领域取得了令世人瞩目的重大进展，而纳米半导体随着研究的不断深化和纳米科技的急速兴起也迅速发展，目前以纳米团簇、量子线、量子点为主的纳米结构研究一直是纳米材料研究的热点，也已经取得了很大的进展。
2Байду номын сангаас米半导体材料的制备
从20世纪70年代以来，以分子束外延、金属有机物化学气相沉淀等为代表的先进薄层材料生长技术，超精细原子加工和电子束光刻技术等的不断发展、完善与进步，以及随后发展起来的应变自组装半导体量子点、量子线生长技术等为纳米半导体材料的生长、制备和量子器件的研制创造了条件。
纳米半导体材料的制备原则上可以概括为“自上而下”和“自下而上”两种技术。所谓的“自下而上”就是指以半导体应变自组装和气—液—固生长技术，而“自上而下”则主要指采用超晶格、量子阱材料生长与高空间分辨的刻蚀工艺相结合的技术。“自下而上”的物理或化学制备纳米半导体材料的方法具有简便、廉价等优点，但纳米颗粒的形状、尺寸不均匀，密度和空间分布有序性难以控制；采用“自上而下”的方法，虽然可以克服上述方法的某些不足，但受空间分辨率、加工损伤和杂志污染等影响，也难以满足纳米半导体器件的要求。因此两种技术的结合，取长补短很有希望成为未来制备纳米半导体器件的重要技术。目前常用的且比较成功的制备方法有（1）湿法，如化学沉淀法、溶胶—凝胶法、微乳液法、水热合成法、模板合成法等；（2）固相干法，如研磨法、烧结法、气流撞击法；（3）气相法，如激光气相沉积法。还有一些其它的特殊方法如重力分选法、蒸汽冷凝法、辐射合成法。
纳米半导体材料是一种自然界中并不存在的人工制造的新型半导体材料。从物理上讲，二维超晶格、量子阱材料、一维量子线、零维量子点是正统的纳米半导体材料。其中，二维超晶格、量子阱材料是指载流子在两个方向上可以自由运动而在另一个方向上受约束，即材料在约束方向的尺寸与电子的德布罗意波长或电子平均自由程相比拟或更小。一维量子线指载流子只能在一个方向上自由运动。零维量子点则在三个维度上都受到约束，能量在三个维度上都是量子化的。随着材料维度的降低和结构特征尺度的减小，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应、库伦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，呈现出高表面积和量子效应引起的独特性能，这使得纳米半导体材料表现出独特的物理性质，表现出纳米半导体材料所特有的新现象、新效应。比如光电催化特性，光电转换特性以及电学特征，利用纳米半导体的这些独特特性，可以用来研究制作单电子存储器以及量子激光器等，为新型科技的产生带来了可能。
3纳米半导体器件
半导体科学技术发展的宗旨就是利用不同半导体所具有的物理性质，设计和制作各种固态电子器件与集成电路，以解决社会科技发展带来的需求。性能优异的半导体器件的实现有赖于高质量半导体材料的制备、合理器件结构的设计和优化工艺条件的选取。在纳米半导体材料的制备技术不断发展和成熟的条件下，借助自组织与分子自组织技术、模板合成技术、介孔内延生长等一系列技术，以及人工对纳米半导体材料物理性质的控制技术，人们已经研制成功各种纳米半导体器件。如纳米整流二极管、场效应晶体管、高电子迁移率晶体管、单电子隧道晶体管、单电子存储元件、量子点激光器等。这些纳米半导体器件主要分为两大类：一类为纳电子器件，另一类为纳光电子器件。也可按照载流子在纳米结构中受限的程度分为三类：一维受限的超晶格、量子阱器件，如量子阱激光器；二维受限的量子线器件如纳米场效应晶体管；三维受限的量子点器件，如单电子存储器。
参考文献
[1]马洪磊，薛成山.纳米半导体[M].北京：国防工业出版社
[2]王占国，陈涌海，叶小玲等.纳米半导体技术[M].北京：化学工业出版社
[3]彭英才，赵新为，傅广生.低维量子器件物理[M].北京：科学出版社
[4]彭英才，傅广生.半导体物理研究的回顾与展望[J].自然杂志
[5]王占国.纳米半导体材料及其纳米器件研究进展[J].中科院半导体研究所
[10]LeutwylerW K,BürgiS L,BurglH B. Semiconductor clusters,nanocrystals, and quantumdots[J]. Science, 1996
[11]Kim K. Technology challenges for deep-nanosemiconductor[C]//Memory Workshop (IMW), 2010 IEEE International. IEEE, 2010
[6]李占双.纳米半导体的合成现状[J].化学工程师
[7]倪永红，葛学武等.纳米材料制备研究的若干新进展[J].无极材料学报
[8]李新勇，李树本.纳米半导体研究进展[J].化学进展
[9]LiqiangJ,YichunQ,BaiqiW, et al. Review of photoluminescence performance ofnano-sized semiconductor materials and its relationships withphotocatalyticactivity[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006
是
是
是
不可能
不可能
否
否
受抑制
可能
可能
5发展趋势及未来展望
自从20世纪40年代末期晶体管发明以来，半导体器件的发展已经走过了60多个春秋，纵观其发展历史可以看出，每伴随着一次材料制备技术的革新，就会有一批新的器件诞生。尤其是90年代自组织生长技术的出现，使各类量子点电子器件应运而生。进入21世纪以来，同时出现了多元化半导体器件竞相发展的新局面。目前，纳米光子器件，磁性纳米器件，量子信息处理器件等都在迅速发展，可以预期，在今后的几十年中，单电子器件，单光子器件，光子晶体器件等低维量子器件会为信息科学技术带来发展的新曙光。
4纳米半导体的应用
纳米半导体器件由于量子效应而具有许多独特的性质，尤其在光电性质方面，因此人们利用这些器件及其集成电路，在通信技术、计算机技术和电子线路技术中发挥着巨大作用，极大地促进了整个信息科学技术的迅速发展。以下简要介绍一下低维光电子器件。
低维光电子器件主要是指具有优异光发射特性的量子结构激光器和具有良好光吸收特性的量子结构红外光探测器和量子结构太阳电池等。
激子或双激子（对称的增益曲线，低啁啾，激子波导）
20~40ps（单量子点）
小于15ps（耦合量子点）
20~40ps（单量子点）
表2量子点激光器的技术优势
激光器参数
量子阱
量子点
非平衡载流子扩散到条形外
表面复合导致腔面过热
载流子扩散到位错后非辐射复合导致位错生长
自支撑微条或者微腔
GaAs/InGaAs/GaAs(001)结构室温1.3 发光
量子阱激光器是最早被研制成功的低维光电子器件。在1982年，日本东京大学的Arakawa等提出量子线和量子点激光器的概念并预言由于量子线和量子点比量子阱具有更强的量子限制效应，因此由它们制作的激光器会具有更低的阈值电流密度，而且同温度的依赖关系也会进一步减弱。然而早期的量子线和量子点激光器采用对量子阱结构进行再蚀刻方法制作的，由于蚀刻过程中会在量子线或量子点表面产生许多缺陷和损伤，同时衬底表面空间利用率也比较低，这对产生光激射非常不利。直到1994年，人们利用量子点自组织生长技术，即利用生长材料与衬底间具有一定晶格失配度的特点进行量子点的生长，成功研制了第一台InAS/GaAs量子点激光器。量子点激光器的物理优势和技术优势如下表所示。