零維電子器件及其制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2014年5月26日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 62/002,997的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體涉及零維電子器件及其制造方法。本發(fā)明還涉及高度均勻量子點(diǎn)及在 半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)量子點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 量子點(diǎn)（QD)是非常細(xì)小的物質(zhì)，小到使得高度凝聚于單一的點(diǎn)（S卩，零維）。因 此，量子點(diǎn)中的帶電粒子（電子和空穴）被捕獲或限制且它們的能級(jí)根據(jù)量子理論被完整 的定義。通常，量子點(diǎn)是納米級(jí)的晶體，由數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)原子組成。量子點(diǎn)由半 導(dǎo)體、例如硅來(lái)制成。此外，雖然量子點(diǎn)是晶體，但其特性更接近于單獨(dú)的原子。
[0005] 可以精確地控制量子點(diǎn)以使其在現(xiàn)實(shí)世界中具有廣泛的應(yīng)用。一般意義上來(lái)說(shuō)， 如果原子被提供能量，它可以被激發(fā)（即，其中的電子被推進(jìn)到高能級(jí)）。當(dāng)位于高能級(jí)的 電子回到低能級(jí)時(shí)，原子會(huì)發(fā)射出光，當(dāng)中光子的能量等于原子原始吸收的能量。原子發(fā)射 出光的顏色（即，波長(zhǎng)和頻率）取決于原子內(nèi)部能級(jí)的排列方式。一般說(shuō)來(lái)，不同的原子能 夠發(fā)射出不同顏色的光。這是因?yàn)樵觾?nèi)部的能級(jí)有設(shè)定的值（即，它們被量化）。
[0006] 若是量子點(diǎn)完全一樣，則它們有完全相同的量化的能級(jí)。然而，利用相同材料制作 的量子點(diǎn)根據(jù)量子點(diǎn)的大小會(huì)產(chǎn)生不同顏色的光。小的量子點(diǎn)具有較大的帶隙，粗略地講， 帶隙是通過(guò)一種材料使自由電子帶電所需要的最小能量，因此需要較多的能量來(lái)激發(fā)小的 量子點(diǎn)。由于發(fā)射出的光的頻率與能量成正比，所以具有較高能量的較小的量子點(diǎn)產(chǎn)生較 高的頻率和較短的波長(zhǎng)，較大的量子點(diǎn)具有更大間距的能級(jí)并因此產(chǎn)生較低的頻率和較長(zhǎng) 的波長(zhǎng)。
[0007] 因此，最大的量子點(diǎn)產(chǎn)生最長(zhǎng)的波長(zhǎng)（和最低的頻率），而最小的量子點(diǎn)產(chǎn)生最短 的波長(zhǎng)（和最高的頻率）。這通常意味著大的量子點(diǎn)產(chǎn)生紅光而小的量子點(diǎn)產(chǎn)生藍(lán)光，而中 等尺寸的量子點(diǎn)產(chǎn)生綠光（和其他顏色的光）。
[0008] 近期，自組裝的量子點(diǎn)的制造已經(jīng)被廣泛的研究，原因在于量子點(diǎn)有非常大的潛 力運(yùn)用在尖端的光電子器件當(dāng)中，例如激光、太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管。嚴(yán)格意義上，量子 點(diǎn)的光電特性跟它本身的物理特性有關(guān)，例如尺寸、組成、張力、和形狀，這些物理特性決定 電子和空穴限制潛力。因此，用于制造有源量子納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制變得非常重要。
[0009] 在各種生長(zhǎng)技術(shù)中，最普遍的方法是島狀與層狀混合（Stranski-Krastanov，SK) 生長(zhǎng)模式。SK生長(zhǎng)模式基于自組裝機(jī)制，且通常用于晶格失配系統(tǒng)，例如InAs(砷化銦）/ GaAs(砷化鎵）系統(tǒng)。在SK生長(zhǎng)中，半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)于半導(dǎo)體基底上，從而產(chǎn)生兩種材料 的界面處的晶格失配。在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，中間層失配張力被部分釋放，于是形成三維結(jié) 構(gòu)。然而，量子點(diǎn)的形態(tài)和組成在沉積覆蓋層過(guò)程中會(huì)有相當(dāng)大的變化，這使得難以實(shí)現(xiàn)所 設(shè)計(jì)的特性。另外，由于不存在張力，所以這種技術(shù)不能用于晶格匹配的系統(tǒng)，例如GaAs/ AlGaAs(砷化鋁鎵）系統(tǒng)。
[0010] 在1993年，由Koguchi和Ishige第一次提出一項(xiàng)用于制造無(wú)張力GaAs/AlGaAs 量子點(diǎn)的可替選的、有價(jià)值的技術(shù)，稱為液滴外延（DropletEpitaxy，DE)生長(zhǎng)模式。與SK 技術(shù)相比，DE技術(shù)既可以用于晶格失配系統(tǒng)又可以用于晶格匹配系統(tǒng)，因此具有較高的設(shè) 計(jì)靈活性。在制作GaAs量子點(diǎn)的情況下，多個(gè)金屬Ga(鎵）液滴首先在As4(四砷）氣體 不存在時(shí)于基底上形成。隨后通過(guò)暴露于四砷氣體，液滴結(jié)晶以形成砷化鎵量子點(diǎn)。為了 維持鎵液滴的原始形態(tài)，通常在低溫（大約300°C)下形成Ga液滴。然而，如此低的溫度通 常會(huì)造成在沉積AlGaAs覆蓋層的過(guò)程中晶體質(zhì)量及光學(xué)質(zhì)量的衰退。此外，在砷化鎵材料 摻雜碳原子時(shí)，該低溫環(huán)境也強(qiáng)烈影響砷化鎵材料的形成。
[0011] 已證明四砷氣體的濃度和結(jié)晶溫度會(huì)決定最終形態(tài)。例如，通常砷化鎵量子點(diǎn)沒(méi) 有摻雜碳原子且在結(jié)晶步驟在供應(yīng)10 4~10 5托（Torr)四砷氣體的情況下在低溫（大約 100°C~200°C)下形成。在結(jié)晶步驟，在10 6~10 7托四砷氣體下，在200°C~450°C生長(zhǎng)溫 度下，生成單量子環(huán)（QR)、雙量子環(huán)或多量子環(huán)。在更高的結(jié)晶溫度（T= 450°C~620°C) 下生長(zhǎng)洞形納米結(jié)構(gòu)。
[0012] -系列過(guò)去的研究證明，實(shí)驗(yàn)條件能夠決定最終結(jié)構(gòu)。然而，仍存在一些缺陷。在 形成砷化鎵量子點(diǎn)的情況下，為了維持鎵液滴的原始形態(tài)，在低溫下形成Ga液滴。這種低 溫生長(zhǎng)工藝通常會(huì)造成在沉積AlGaAs覆蓋層的過(guò)程中晶體質(zhì)量及光學(xué)質(zhì)量的衰退。因此， 對(duì)于制造高質(zhì)量的量子點(diǎn)，更多的研究工作仍然是有必要的。
[0013] 此外，對(duì)于研究半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的新的物理現(xiàn)象，受限電子與束縛于受體雜質(zhì) 的光激發(fā)的空穴之間的再結(jié)合具有很多優(yōu)點(diǎn)。由于受束縛的空穴的能量被非常好地限定， 因此光致發(fā)光（PL)是電子狀態(tài)的能譜的直接測(cè)量方式，而且空穴的定位釋放k-保護(hù)規(guī)則， 使得能夠調(diào)查電子狀態(tài)的總電子密度。非常成功地使用該技術(shù)探測(cè)二維（2D)電子系統(tǒng)的 物理現(xiàn)象，從而導(dǎo)致朗道能級(jí)（Landaulevel)、Shubnikov-deHaas振動(dòng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效 應(yīng)和Wigner結(jié)晶的光學(xué)調(diào)查。然而，至今還沒(méi)有涉及零維（量子點(diǎn)）結(jié)構(gòu)的進(jìn)展。
[0014] 因此，需要一種由高度均勻的碳摻雜的GaAs和/或高度均勻的GaAs組成的新型 零維電子器件和制造該器件的方法。該新型零維電子器件具有廣泛的應(yīng)用，包括量子點(diǎn)激 光、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、單一量子加密光源、量子比特、和量子邏輯兀件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 根據(jù)本發(fā)明，本文公開(kāi)的半導(dǎo)體器件包括基底和量子點(diǎn)，其中，當(dāng)在4開(kāi)爾文的溫 度下測(cè)量所述半導(dǎo)體器件時(shí)，所述量子點(diǎn)的光致發(fā)光光譜的峰值發(fā)射的半高寬（FWHM)小 于20毫電子伏特。
[0016] 另外，根據(jù)本發(fā)明，本文公開(kāi)的半導(dǎo)體器件包括基底和量子點(diǎn)，其中，所述量子點(diǎn) 的光致發(fā)光光譜在紅光區(qū)域具有超過(guò)兩個(gè)峰。
[0017] 另外，根據(jù)本發(fā)明，本文公開(kāi)了在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)量子點(diǎn)的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供應(yīng)周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生長(zhǎng)溫度下，在所述基 底上生長(zhǎng)周期表第三族-第五族材料的緩沖層；（d)降低所述生長(zhǎng)溫度到大約500°C; (e) 停止供應(yīng)周期表第五族材料；（f)生長(zhǎng)周期表第三族材料液滴；(g)降低所述生長(zhǎng)溫度到小 于大約400°C; (h)生長(zhǎng)更多的周期表第三族材料液滴；以及（i)升高所述生長(zhǎng)溫度到介于 360°C到 450°C。
[0018] 另外，根據(jù)本發(fā)明，本文公開(kāi)了在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)量子點(diǎn)的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供應(yīng)周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生長(zhǎng)溫度下，在所述基 底上生長(zhǎng)周期表第三族-第五族材料的緩沖層；（d)停止供應(yīng)周期表第五族材料；(e)供應(yīng) 周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生長(zhǎng)溫度到小于大約200°C;(g)停 止供應(yīng)周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及（h)生長(zhǎng)具有周期表第二族材料或周 期表第四族材料的周期表第三族材料液滴。
[0019] 應(yīng)該理解，上述一般性的描述和以下詳細(xì)描述都僅僅是示例性的和解釋性的，而 不對(duì)所要求的本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 被并入并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖示出多個(gè)實(shí)施方式。
[0021] 圖1為示出示例性砷化鎵量子點(diǎn)半導(dǎo)體器件的示意圖；
[0022] 圖2A為示例性砷化鎵量子點(diǎn)的表面形態(tài)的原子力顯微鏡（AFM)圖像，其中，掃描 面積為5微米X5微米，生長(zhǎng)溫度為360°C;
[0023] 圖2B為示例性砷化鎵量子點(diǎn)的表面形態(tài)的AFM圖像，其中，掃描面積為1微米X1 微米，生長(zhǎng)溫度為360°C;
[0024] 圖3為示例性砷化鎵/砷化鋁鎵量子點(diǎn)的穿透式電子顯微鏡（TEM)圖像；
[0025] 圖4示出與砷化鎵潤(rùn)濕層耦合的示例性砷化鎵/砷化鋁鎵量子點(diǎn)的PL光譜，其 中，測(cè)量溫度為4K(開(kāi)爾文）和300K;
[0026] 圖5示出在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)量子點(diǎn)的示例性方法；
[0027] 圖6A-圖6C示出在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)量子點(diǎn)的另一示例性方法；
[0028] 圖7為示出示例性碳摻雜的砷化鎵量子點(diǎn)半導(dǎo)體器件的示意圖；
[0029] 圖8為示例性碳摻雜的砷化鎵量子點(diǎn)