摘要：随着微电子工艺逐渐逼近其物理极限，具有量子特性的纳米电子器件的研制被提上日程。自组装半导体量子点由于缺陷少、生长技术成熟和具有δ函数形式的能态密度等优点而被广泛用于纳米电子器件制备中。本文按纵向输运器件、横向输运器件的分类扼要评述了该领域的最新进展，并对待解决的问题和发展前景作了分析。
关键词：微电子工艺；量子特性；自组装半导体量子点；纳米电子器件 中图分类号：tn304.01 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)01-0061-05
1 引言 量子点也称人工原子，在20世纪晚期开始受到重视[1]，指人造的尺寸为1-100nm的小系统，内含 1-10000个可控制的电子。它的尺寸比团簇[2] 大，但小于光刻精度。量子点的三维尺寸都与该方向电子的波长或平均自由程可比拟甚至更小，因此载流子在三个方向的能量都是量子化的，运动都受到了约束，故称为零维材料。它的性质与体材料显著不同，包括量子尺寸效应、量子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻塞效应等，因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。 目前流行的量子点制备方法有三种：一是在量子阱或超晶格结构的基础上用高分辨电子束曝光直写刻蚀的方法[3]，量子点的形状、分布可控，但容易损伤而引入缺陷和玷污；二是用胶体化学方法制备半导体纳米晶态量子点[4]，但工艺仍不成熟；三是利用晶体生长的s-k(stranski-krastanow)模式进行应变原位自组装生长量子点，也是最简便、成熟的方法[5]。自组装法的原理是：晶格失配度适中的两种材料，如ge/si,inas/gaas等，在分子束外延（mbe）或金属有机化学汽相淀积（mocvd）初始阶段是二维平面生长，随着厚度的增加产生应变积累，导致在临界厚度时外延层转变为三维岛状生长以降低系统能量，最终形成了均匀且无位错的量子点。通过优化生长条件，可使量子点尺寸的不均匀性≤10%,密度控制在10 8-1011cm-2。 要充分发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用，实现其大小、形状的人工调控是非常必要的。 人们已在利用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展[6]，而这对最终实现大小和形状的均一化是非常有利的。目前，人们提高s-k量子点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。 2 纵向输运器件 量子点共振隧穿器件是典型的基于电子在平行于量子点生长方向上的输运特性制成的纵向输运器件。目前量子阱共振隧穿二极管（rtd）已可以与cmos器件混合集成[7]，而量子点rtd尚处于基础研究阶段[8,9]。常见的量子点rtd为双势垒结构，势垒之间为量子点有源区，势垒两侧为发射极和集电极。加一定偏压时，能带发生倾斜，原本较低的发射极电子费米能级达到或高于了量子点电子基态能级，电子便有较大概率共振隧穿通过双势垒结构。继续增大偏压使量子点电子基态能级低于发射极导带底时，共振隧穿截止，出现负微分电阻现象。随偏压的升高，电子还可与量子点电子激发态能级共振，使电流-电压曲线呈现振荡或台阶特性。瑞典隆德大学samuelson小组[10]在自组装 inas/inp量子点共振隧穿i-v曲线中获得了高达85的峰谷比。由于rtd有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗等优点，它已成为纳米电子学中最负期望的器件，更全面的综述可以参看文献[11]和[12]。 日本东京大学sakaki小组[13-16]研制的一种单量子点rtd的结构和能带示于图1[13]。由于自组装量子点大小、形状尚不是非常均一，若有源区量子点数目过大，这种不一致性将使器件电学性能变差。为减小器件中点的数目，必须降低其生长密度[16] 。通过调节mbe生长条件，inas量子点的面密度可减至108cm-2量级 [16]，图1中的有源区即采用了这种技术。通过电子束光刻,rtd被制成边长0.5μm的正方形。当无共振隧穿现象时，热电流占主导地位，而且它与有源区面积成正比。因此，通过对比测量非共振条件下不同大小rtd的电流，可以推算出距正方形边缘0.17μm以内为耗尽区（由于半导体表面态的影响，浅层的载流子浓度很小）。所以，该器件有源区面积仅为0.16μm见方，考虑到量子点面密度为4×108cm-2,得到有源区平均量子点数为0.12。凡检测到共振隧穿效应的rtd，其有源区点数必为1，即所谓单量子点rtd。图2为 130k时用afm导电探尖测得的四条i-v曲线，分别对应于四个探测点，它们只有微小差别，说明该 rtd性能比较可靠。只有在反向偏置时，隧穿电流才居主导地位。图中所示的是肖特基结正向偏置的情形，虽然此时热电流占优势，而且测量温度较高（130k），但是也得到了一个低的共振隧穿电流峰。总之，单
孙 捷 | （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：随着微电子工艺逐渐逼近其物理极限，具有量子特性的纳米电子器件的研制被提上日程。自组装半导体量子点由于缺陷少、生长技术成熟和具有δ函数形式的能态密度等优点而被广泛用于纳米电子器件制备中。本文按纵向输运器件、横向输运器件的分类扼要评述了该领域的最新进展，并对待解决的问题和发展前景作了分析。
关键词：微电子工艺；量子特性；自组装半导体量子点；纳米电子器件 中图分类号：tn304.01 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)01-0061-05
1 引言 量子点也称人工原子，在20世纪晚期开始受到重视[1]，指人造的尺寸为1-100nm的小系统，内含 1-10000个可控制的电子。它的尺寸比团簇[2] 大，但小于光刻精度。量子点的三维尺寸都与该方向电子的波长或平均自由程可比拟甚至更小，因此载流子在三个方向的能量都是量子化的，运动都受到了约束，故称为零维材料。它的性质与体材料显著不同，包括量子尺寸效应、量子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻塞效应等，因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。 目前流行的量子点制备方法有三种：一是在量子阱或超晶格结构的基础上用高分辨电子束曝光直写刻蚀的方法[3]，量子点的形状、分布可控，但容易损伤而引入缺陷和玷污；二是用胶体化学方法制备半导体纳米晶态量子点[4]，但工艺仍不成熟；三是利用晶体生长的s-k(stranski-krastanow)模式进行应变原位自组装生长量子点，也是最简便、成熟的方法[5]。自组装法的原理是：晶格失配度适中的两种材料，如ge/si,inas/gaas等，在分子束外延（mbe）或金属有机化学汽相淀积（mocvd）初始阶段是二维平面生长，随着厚度的增加产生应变积累，导致在临界厚度时外延层转变为三维岛状生长以降低系统能量，最终形成了均匀且无位错的量子点。通过优化生长条件，可使量子点尺寸的不均匀性≤10%,密度控制在10 8-1011cm-2。 要充分发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用，实现其大小、形状的人工调控是非常必要的。 人们已在利用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展[6]，而这对最终实现大小和形状的均一化是非常有利的。目前，人们提高s-k量子点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。 2 纵向输运器件 量子点共振隧穿器件是典型的基于电子在平行于量子点生长方向上的输运特性制成的纵向输运器件。目前量子阱共振隧穿二极管（rtd）已可以与cmos器件混合集成[7]，而量子点rtd尚处于基础研究阶段[8,9]。常见的量子点rtd为双势垒结构，势垒之间为量子点有源区，势垒两侧为发射极和集电极。加一定偏压时，能带发生倾斜，原本较低的发射极电子费米能级达到或高于了量子点电子基态能级，电子便有较大概率共振隧穿通过双势垒结构。继续增大偏压使量子点电子基态能级低于发射极导带底时，共振隧穿截止，出现负微分电阻现象。随偏压的升高，电子还可与量子点电子激发态能级共振，使电流-电压曲线呈现振荡或台阶特性。瑞典隆德大学samuelson小组[10]在自组装 inas/inp量子点共振隧穿i-v曲线中获得了高达85的峰谷比。由于rtd有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗等优点，它已成为纳米电子学中最负期望的器件，更全面的综述可以参看文献[11]和[12]。 日本东京大学sakaki小组[13-16]研制的一种单量子点rtd的结构和能带示于图1[13]。由于自组装量子点大小、形状尚不是非常均一，若有源区量子点数目过大，这种不一致性将使器件电学性能变差。为减小器件中点的数目，必须降低其生长密度[16] 。通过调节mbe生长条件，inas量子点的面密度可减至108cm-2量级 [16]，图1中的有源区即采用了这种技术。通过电子束光刻,rtd被制成边长0.5μm的正方形。当无共振隧穿现象时，热电流占主导地位，而且它与有源区面积成正比。因此，通过对比测量非共振条件下不同大小rtd的电流，可以推算出距正方形边缘0.17μm以内为耗尽区（由于半导体表面态的影响，浅层的载流子浓度很小）。所以，该器件有源区面积仅为0.16μm见方，考虑到量子点面密度为4×108cm-2,得到有源区平均量子点数为0.12。凡检测到共振隧穿效应的rtd，其有源区点数必为1，即所谓单量子点rtd。图2为 130k时用afm导电探尖测得的四条i-v曲线，分别对应于四个探测点，它们只有微小差别，说明该 rtd性能比较可靠。只有在反向偏置时，隧穿电流才居主导地位。图中所示的是肖特基结正向偏置的情形，虽然此时热电流占优势，而且测量温度较高（130k），但是也得到了一个低的共振隧穿电流峰。总之，单
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