半导体量子点及其应用

载流子在三个维度上都受到势垒约束而不能自由运 动. 根据量子力学分析 ,量子点中的载流子在三个维 度方向上的能量都是量子化的 ,其态密度分布为一 系列的分立函数 ,类似于原子光谱性质 ,因而人门往 往也把量子点称之为“人工原子”. 控制量子点的几 何形状和尺寸可改变其电子态结构 ,实现量子点器 件的电学和光学性质的“剪裁”,是目前“能带工程” 设计的一个重要组成部分 ,也是国际研究的前沿热
33 卷 (2004 年) 4 期
-
GaAs 量子点则沿 [ 011 ] 方向拉长 , 而无种子层的 单层 InGaAs 点 则 为 圆 形 ; 在 ( 5 1 1 ) B 面 上 , 没 有 InAl GaAs 量子点埋层时 , InGaAs 量子点分布没有什 么规律 ,大小也明显不均匀 ;当引入 InAl GaAs 后 , In2
-
GaAs 量子点大致在与 [ 011 ] 成 45°角的方向优先排 列[3 ] . 2. 2 微结构生长与微细加工相结合方法
由于受到微细加工技术空间分辨率的限制 ,早 期的微结构生长和微细加工技术相结合制备出的量 子点的尺寸较大 ,难以满足量子尺寸限制的需要 ,但 随着微细加工水平的不断提高 ,这种微结构生长与 微细加工相结合的方法再次引起人们的关注. 虽然 实际加工中产生的表面 、界面损伤和杂质污染等仍 然常使其器件性能与理论预言值存在差异 ,但是这 种方法的突出优点是量子点的形状 、尺寸 、密度和空 间分布的有序性可控. 按照微结构生长和微细加工 的先后顺序 ,这种方法可以分为两类 :
物理
评 述
量子点优先成核 ,以减小整体失配 ,这种过程的复制 将导致生长方向上的量子点超晶格的有序排列 , InAs/ GaAs 和 InAs/ InGaAs 量子点 (线) 超晶格都是典 型的垂直对准结构 (见图 3) . 但对缓冲层为 InAlAs 的 InP 衬底上制备的 InAs 量子线超晶格而言 ,由于 In 和 Al 原子的迁移速度不同 , InAlAs 合金空间隔层 将会出现富 In 和富 Al 的横向组分周期性被调制的 现象 ,即在下层量子点 (线) 之间上方的间隔层中形
通过应变自组装方法可以制备 Ⅲ- Ⅴ族 、ⅡⅥ族和 Ⅳ- Ⅳ族的半导体量子点 ,目前已经成功地
·250 ·
图 1 InP 衬底上 InAs 量子点的明场 TEM 像[2]
应变自组装技术不仅无需诸如高空间分辨的电 子束曝光和刻蚀等复杂的工艺技术 ,方法简单 ,而且 还不会引入杂质污染和形成自由表面缺陷 ,是目前 制备量子点材料最常用 、最有效的方法 ;但由于量子 点在浸润层上的成核是无序的 ,故其尺度 、形状 、分 布均匀性难以控制 ,量子点的定位生长就更加困难. 为解决这个问题 ,人们进行了广泛的尝试. 例如 ,在 高指数晶面上自组装制备的量子点的均匀性可得到 改善 (见图 2 左) ,这是由于高指数面具有高的表面 能 ,在外延生长过程中 ,高指数面将分解成具有较低 表面能和特定的周期结构的邻近小平面 ,以降低其 表面能 ,达到稳定的表面结构. 故在高指数面上生长 量子点 (线) 是改善量子点 (线) 结构和性能的有效方 法之一. 从图 2 右可以看出 , 加入埋层或种子层 ,还 可以显着地改善量子点的密度. 又如 ,在 GaAs 和具 有 InGaAs 缓冲层的 InP 衬底上生长 In ( Ga) As 量子 点 (线) 超晶格时 ,若隔离层不太厚 ,被间隔层嵌埋的 量子点 (线) 将在其上方的间隔层内产生张应力 ,当 下一层量子点开始生长时 ,这个张应力区将诱导新
Abstract Quantum dots , usually called“artificially made atoms”, are one of the most important subjects of nanometer science and technology. The superior properties of semiconductor quantum dots resulting from the three2di2 mensional confinement of the carrier constitute the basis of quantum devices and circuits. The research and develop2 ment as well as application of semiconductor quantum dots are expected to attract more and more attention and greatly influnce nanometer electronics and optoelectronics , photon and quantum computing and even the life sciences. In this article the fabrication and properties of semiconductor quantum dots and potential application of the devices based on quantum dots are briefly reviewed. Key words quantum dot , preparation , character , detection , application
3 国家自然科学基金 (批准号 :90101004 , 60290081) 、国家重点基础 研究发展计划(批准号 : G2000068303) 和国家高技术研究发展计划 (批准号 :2002AA311070) 资助项目 2003 - 05 - 15 收到初稿 ,2003 - 09 - 22 修回
通讯联系人. E2mail :zgwang @red. semi. ac. cn
2 半导体量子点材料的制备技术
高质量量子点材料的制备是量子器件和电路应 用的基础 ,如何实现对无缺陷量子点的形状 、尺寸 、 面密度 、体密度和空间分布有序性等的可控生长 ,一 直是材料科学家追求的目标和关注的热点. 经过多 年的努力 ,现已发展了多种制备半导体量子点的技 术 , 归纳起来 ,不外乎所谓的“自上而下”和“自下而 上”以及这两种方法相结合的制备技术. 下面给予简 单的介绍. 2. 1 应变自组装技术
(1) 微结构生长后进行微细加工制备技术[6] . 首先用 MBE 或 MOCVD 等技术生长制备低维结构材 料 ,如 GaAs/ Al GaAs 二维电子气等超晶格 、量子阱材 料 ,然后用高分辨电子束曝光直写和湿法或干法刻 蚀 ,或者通过聚焦离子束注入使材料内部某些区域 的组分等发生变化 ,从而隔离制备量子点 (线) . 这种 方法也就是常说的所谓“自上而下”的制备技术 ,原 则上它可以制备最小特征宽度为 10nm 的结构 ,而 且图形的几何形状和密度可控 ,常用来制备二维点 阵和纳米分离器件 ,但是难用于三维点阵结构的制 备 ;此外 ,加工过程带来的损伤和杂质污染会使量子 点的电学和光学性质退化 ,是在这种技术实用化前 必需要解决的难题.
评 述
半导体量子点及其应用 ( Ⅰ) 3
赵凤瑷 张春玲 王占国
(中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室 北京 100083)
摘 要 量子点 ,又称“人造原子”,它是纳米科学与技术研究的重要组成部分. 由于载流子在半导体量子点中受 到三维限制而具有的优异性能 ,构成了量子器件和电路的基础 ,在未来的纳米电子学 、光电子学 ,光子 、量子计算和 生命科学等方面有着重要的应用前景 ,受到人们广泛重视. 文章分为 Ⅰ、Ⅱ两个部分 :第 Ⅰ部分介绍了半导体量子 点结构的制备和性质 ;第 Ⅱ部分介绍了量子点器件的可能应用. 关键词 量子点 ,制备 ,性质 ,检测 ,应用
·249 ·
评 述
点领域. 由于量子点所具有的量子尺寸 (约束) 、量子隧
穿 、库仑阻塞 、量子干涉 、多体关联和非线性光学效 应明显 ,以及它在微电子 、光电子器件 ,超大规模集 成电路和超高密度存储以及量子计算等方面的潜在 应用优势 ,故在低维量子结构的研究中 ,对载流子施 以尽可能多的空间限制 ,制备零维量子点结构并开 发其应用 ,受到世界各国科学家和有眼光的企业家 的高度重视.
图 3 典型的垂直耦合 InAs/ InGaAs/ InP 量子点 ( 线) 超晶格的 TEM 暗场像[4 ]
图 4 典型的斜对准 InAs/ InAlAs/ InP 量子线超晶格结构的 TEM 像 [5 ]
通过在衬底和量子点 (线) 层之间引入埋层或种 子层 ,也可用来有效地调节上层量子点 (线) 的几何 参数 , 因为特殊设计埋层的应变场会延伸至隔离层 表面 ,从而影响上层量子点 (线) 的初始成核. 如在 (100) GaAs 面上引入 InAl GaAs 种子层量子点后 , In2
应变自组装方法属于典型的“自下而上”制备技 术 ,它是利用 Stranski - Krastanow ( S - K) 生长模式 , 适合于晶格失配较大但表面 、界面能不是很大的异 质结材料体系 ;实验上可采用分子束外延 (MBE) 、金 属有 机 物 化 学 气 相 沉 积 (MOCVD) 和 原 子 层 外 延 (ALE) 等技术制备. 在 S - K 生长模式中 ,外延层和 衬底间的晶格失配较大 ,但是在外延的初始阶段 ,外 延材料可以通过弹性形变适应晶格失配 ,以二维层 状模式生长 ,称之为浸润层 (wetting layer) . 随着浸润 层厚度的增加 ,应变能不断积累 ,当浸润层厚度达到 某一个临界值 tc 时 ,弹性形变二维层状生长不再是 最低能量状态 ,应变能通过在浸润层上形成三维岛 而得到释放. 形成三维岛后 ,应变能减小 ,表面能增 加 ,但系统的总的能量降低. 三维岛生长初期形成的 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十纳米 ,高约几个到 十几个纳米 ,通常称作为量子点.
1 引言
1970 年 ,半导体超晶格 、量子阱概念的提出[1] , 开创了人工设计 、制备低维量子结构材料研究的新 领域. 所谓低维量子结构材料 ,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. 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 的特征尺寸可与电子的德布罗意波长相比拟或更 小. 在量子线材料中 ,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 ;在量子点中 ,
Semiconductor quantum dots and their potential applications
ZHAO Feng2Ai ZHANG Chun2Ling WANG Zhan2Guo
( Key Lab of Semiconductor Materials Science , Institute of Semiconductors , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083 , China)
量子wenku.baidu.com结构是一个涉及物理 、化学和材料等多 学科交叉的研究领域 ,内容广泛. 本文主要讨论半导 体量子点的制备 、性质和它可能的应用.
在 GaAs , InP ,SiC , ZnSe ,Al2O3 和 Si 等衬底上制备了 InAs ,In ( Ga , Al) As , GaN ,CdSe ,ZnO , Ge 和 GeSi 等量 子点结构. 量子点的形状视生长条件不同 ,可以是菱 形 、方形 、金字塔形 、球形 、椭圆形和三角形等. 图 1 为 InP 衬底上生长的 InAs 量子点的明场透射电镜 ( TEM) 像. 通过对应变异质结构材料体系应变分布 的设计 (如晶向 、晶格失配度的合理选择等) 、生长动 力学的控制和生长工艺优化等 ,原则上可制备出尺 寸和分布比较均匀的无缺陷量子点材料.
-
成富 In 区 (张应力区) ,且择优取向为[ 110 ] ,从而使 上层的量子线优先在下层两个相邻的量子线的中间 成核 ,导致了量子线的隔层对准排列 ,也称之为斜对 准 (图 4) .
图 2 (311) B GaAs 衬底上引入 InAl GaAs 埋层前 (左图) 和后 (右 图) 的 InGaAs 量子点的 AFM 图像[3]