10章-低维半导体材料

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一维量子线材料：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。
零维量子点材料：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。
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。 • 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。 • 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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• 对于半导体纳米材料，量子限制效应表现 尤为明显。
• 即当半导体材料的尺度进入纳米范围时， 其电子能级将发生分裂，并且材料的禁带 宽度也将随着尺度的减小而展宽。
• 从而可以通过调节材料的大小来改变其禁 带宽度。
掺杂工程
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能带工程
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I. •
量子点材料 胶体化学法是近十年来才出现的一 种制备纳米晶材料的新方法。优点：
STM是通过隧道电流来反映表面形貌的，因 此，只适用于具有一定导电性的样品。
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1986年，Binnig和美国斯坦福大学物理系的 Quate教授合作，成功研制了既能用于导电样品 又能用于绝缘样品的原子力显微镜（AFM）。
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3. 高空间分辨阴极荧光(EL) 和SEM技术 4. 近场高空间分辨PL 技术
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零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的 三个方向均在纳米尺度，如纳米微粒，原子团 簇等。 一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的 三个方向有两个方向在纳米尺度，如纳米线、 纳米棒、纳米管等。 二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的 三个方向有一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、 纳米多层膜、超晶格薄膜等。
量子相干效应（Quantum interference effect） 量子限制效应（Quantum confinement effect） A-B效应（Aharonov-Bohm effect），即弹性散射不破 坏电子相干性 量子霍尔效应（Quantum Hall effect） 普适电导涨落（Universal conductance flutuations）特 性 库仑阻塞（Coulumb blockade）效应 海森堡不确定效应（Heisenberg uncertainty effect）
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真空电子、微电子和纳电子器件的比较
种类 真空管 晶体管 单电子管（SET）
结构Baidu Nhomakorabea
符号 W,Ni,BaO,玻璃,陶瓷 Ge，Si，GaAs
材料 技术 理论
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有机/无机组装，自组织生 长，？
纳电子学，？ 量子点间的单电子，ne，量 子参量，环境参量敏感，温 度影响大，神经网特征
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电真空制造工艺
国内也有一些科研院所在研究 II-VI族胶体量子 点
• 有南京大学物理系，中国科学院上海技术物理研究 所和中国科学技术大学纳米结构与物理研究室。
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• 相对于 II-VI族胶体量子点， III-V族胶体量 子点的合成要困难一些。
同II-VI族半导体材料相比，III-V族化合物的共 价性更强；
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• 当系统的尺寸小到可以与电子的德布罗意 波长相当时，量子效应就成为支配载流子 行为的主要因素，量子力学将成为其理论 基础。 • 现今微电子器件工作原理和理论基础是以 Boltzman输运方程为基础的理论。 • 因此微电子器件不会一直小下去，它存在 一个物理极限，这个极限即是以Boltzman 输运方程为基础的理论的适用极限。
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3. 在合成之后对QDs进行适当的表面化学修饰，可 以消除表面缺陷态对量子点电子结构的影响，还 可以使量子点用于各种不同的环境和更复杂的结 构之中。 4. 既可以在溶液中以固体粉末的形式也可以在薄膜 中以固体量子点阵列的形式研究胶体量子点 5. 生长设备简单，廉价，对原料 纯度要求不太高。
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• 胶体化学法合成的半导体量子点主要是化 合物半导体包括：I-VII, II-VI, III-V, IV以 及三元化合物半导体。
国际上，对半导体胶体量子点的研究主要集中 在 II-VI 族化合物，已经得到了成熟的合成方 法。
• 最著名的是美国 MIT的 Bawendi 和 Murray以及美国 伯克利劳伦斯实验室的Alivisatos
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• 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(受电子束背散射效应影响) 不 高(几十nm) ,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
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III. 应变自组装量子点结构生长技术
近场PL 技术是一个正在发展中的技术,它不 受常规光学显微镜受光衍射极限(最小光束直 径≈λ/2) 的限制,通过光纤有可能实现具有纳米 量级的光束直径光源。
利用这种光源结合高灵敏的光探测器可实现 对单个量子点光学性质进行研究。
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• 当材料的尺度减小到纳米范围时，会展现出一些 量子效应，主要有：
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• 这个物理极限是多少？ 0.030µ m? • 从信息技术的发展来看，为了满足无所不 在的海量智能化需要，硅微电子芯片技术 即使达到 0.030µ m ，也还是不能够满足信 息处理的需要。 • 当传统晶体管和集成电路最终达到它的极 限的时候，信息技术将如何发展？ 纳电子器件
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2. MOCVD技术 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。
类似的技术还有化学束外延(CBE)，金属 有机化合物分子束外延(MOMBE) 和气态 源分子束外延(GSMBE) 。
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： a. b. 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank 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
c.
大晶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
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1991 美国 Nano I
智 纳 能 米
纳米科技成为独立学科领域
工 科 具 技
纳 电 子 学
纳 米 物 理 学
纳 米 化 学
纳 米 生 物 学
纳 米 机 械 学
纳 米 测 量 学
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。 • 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。 • 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
2001年 DRAM特征线宽（nm） DRAM存储容量（字节） DRAM每比特价格（微美分） 130 512M 7.7
2005年 2010年 2016年
80 2G 1.9
45 8G 0.34
22 64G 0.042
DRAM栅电极长度（nm）
微处理器速度（MHz）
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真空电子学 真空中自由电子，mA 宏观参量
单晶生长，光刻、扩散掺杂
半导体物理 晶态半导体中电子，µA 宏观参量
特点
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• 当电子器件进一步减小时，纳电子器件之 后，将是分子电子器件，与之相应地将出 现分子电子学。 • 当前，人们直接面临的问题是纳米电子器 件的设计与制造，纳电子学已经成为电子 学研究的热点。 • 纳电子学是纳米科技的一部 分，纳米科技是信息时代的高 科技，将是人类制造智能工具 的基础。
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• 纳米材料的评价技术
光学显微镜
电子显微镜
纳米显微镜 扫描探针显微镜（SPM）
STM
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AFM
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1. HRTEM技术 2. STM和AFM原位检测技术
第一台STM是Binnig和Rohrer于1981年研制出 来的，因此而获得诺贝尔物理学奖。它的工 作原理是基于20世纪60年代约瑟夫逊发现的 量子隧道效应。
在水溶液中前驱物和溶剂之间存在强烈的相互 作用； III族金属的原子或离子的化学稳定性差，很难 有合适的金属有机前驱物（如InCl3-TOPO）； 成核和生长需要更高的温度，高温条件会带来 一些问题
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• 迄今为止最好的结果只限于InP量子点。
在 InP 的 合 成 中 ， 美 国 国 家 再 生 能 源 实 验 室 (NREL)的 Nozik 和 Micic 等人已经做出了卓有 成效的工作。 他们合成了 30 ~60Å的样品，尺寸分布为平均 粒径的 10%，并将其组装成量子点阵列，研究 了 InP 量子点及其阵列的光学、电学及结构特 性，以及电子转移、能量转移特性。 此外，他们还制备出了InP量子棒 (quantum rods)
1. 胶体化学技术制备出的量子点是孤立的而不是 埋在另一种半导体材料中，因此是无应力的， 可以很容易制备粒度相当小的量子点（ 20-100 Å），量子点的形状和大小都可以得到很好的控 制（量子点平均粒度变化为5-10％）
2.
胶体量子点可以很容易形成紧密包裹的量子点 阵 列 ，从而得到无定型量子点或 晶体量 子 点 （三维超晶格和类蛋白石结构）
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II.
超晶格、量子阱材料生长和精细加工相 结合的制备技术
利用MBE 或MOCVE 等技术首先生长超晶格、 量子阱器件结构材料如：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 入隔离制备量子线和量子点。
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• 应变自组装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。 • 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 尺寸均匀性和密度难以控制
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主要半导体量子点、量子线、量子阱材料
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纳米材料的制备方法大体上可分为两种
Top-down
Bottom-up
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•
对于低维半导体材料主要应用的是 Bottom-up方法。其制备技术主要有：
I.
1.
MBE和MOCVD生长技术
MBE技术 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 发技术。 MBE 与其它传统生长技术(LPE , VPE 等) 相 比有许多优点。
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2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
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• 对于半导体低维材料（基于载流子）：
二维超晶格、量子阱材料：载流子在二个方向 （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。
d h / 2 m E
*
L2 DEG
低维半导体材料
• 电子器件是20世纪的重大发明之一 • 电子器件的发展已经经历了两个时期
真空电子管 固体晶体管
尺寸不断减小
微米
微电子器件
• 信息时代的到来，要求微电子器件的特征 尺寸越来越小，芯片集成度越来越高
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• Moore定律
SIA对半导体技术发展趋势的预测 动态随机存储器（DRAM）与微处理器
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IV. 低维半导体结构材料的其它制备技术
• a. 在图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生 长技术如: 不同晶面生长速度不同的V 型槽生长技术
b.
c.
解理面再生长技术;
高指数面生长技术;
d.
e.
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小角度倾斜晶面生长短周期超晶格材料技术
在其他图形化衬底上的生长技术等。
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• 单原子操纵和加工技术也受到重视