零維電子器件及其制造方法技術

本發(fā)明專利技術涉及零維電子器件及其制造方法。一種半導體器件，包括基底和量子點，其中，當在4開爾文的溫度下測量所述半導體器件時，量子點的峰值發(fā)射的半高寬(FWHM)小于20毫電子伏特。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【專利說明】 相關申請的奪叉引用 本申請要求2014年5月26日遞交的美國臨時申請No. 62/002,997的權益。
本專利技術總體涉及。本專利技術還涉及高度均勻量子點及在 半導體器件上生長量子點的方法。
技術介紹
量子點（QD)是非常細小的物質，小到使得高度凝聚于單一的點（S卩，零維）。因 此，量子點中的帶電粒子（電子和空穴）被捕獲或限制且它們的能級根據(jù)量子理論被完整 的定義。通常，量子點是納米級的晶體，由數(shù)十個、數(shù)百個或數(shù)千個原子組成。量子點由半 導體、例如硅來制成。此外，雖然量子點是晶體，但其特性更接近于單獨的原子。 可以精確地控制量子點以使其在現(xiàn)實世界中具有廣泛的應用。一般意義上來說， 如果原子被提供能量，它可以被激發(fā)（即，其中的電子被推進到高能級）。當位于高能級的 電子回到低能級時，原子會發(fā)射出光，當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，波長和頻率）取決于原子內部能級的排列方式。一般說來，不同的原子能 夠發(fā)射出不同顏色的光。這是因為原子內部的能級有設定的值（即，它們被量化）。 若是量子點完全一樣，則它們有完全相同的量化的能級。然而，利用相同材料制作 的量子點根據(jù)量子點的大小會產(chǎn)生不同顏色的光。小的量子點具有較大的帶隙，粗略地講， 帶隙是通過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激發(fā)小的 量子點。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產(chǎn)生較 高的頻率和較短的波長，較大的量子點具有更大間距的能級并因此產(chǎn)生較低的頻率和較長 的波長。 因此，最大的量子點產(chǎn)生最長的波長（和最低的頻率），而最小的量子點產(chǎn)生最短 的波長（和最高的頻率）。這通常意味著大的量子點產(chǎn)生紅光而小的量子點產(chǎn)生藍光，而中 等尺寸的量子點產(chǎn)生綠光（和其他顏色的光）。 近期，自組裝的量子點的制造已經(jīng)被廣泛的研究，原因在于量子點有非常大的潛 力運用在尖端的光電子器件當中，例如激光、太陽能電池和發(fā)光二極管。嚴格意義上，量子 點的光電特性跟它本身的物理特性有關，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構的生長機制變得非常重要。 在各種生長技術中，最普遍的方法是島狀與層狀混合（Stranski-Krastanov，SK) 生長模式。SK生長模式基于自組裝機制，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生長中，半導體薄膜生長于半導體基底上，從而產(chǎn)生兩種材料 的界面處的晶格失配。在外延生長過程中，中間層失配張力被部分釋放，于是形成三維結 構。然而，量子點的形態(tài)和組成在沉積覆蓋層過程中會有相當大的變化，這使得難以實現(xiàn)所 設計的特性。另外，由于不存在張力，所以這種技術不能用于晶格匹配的系統(tǒng)，例如GaAs/ AlGaAs(砷化鋁鎵）系統(tǒng)。 在1993年，由Koguchi和Ishige第一次提出一項用于制造無張力GaAs/AlGaAs 量子點的可替選的、有價值的技術，稱為液滴外延（DropletEpitaxy，DE)生長模式。與SK 技術相比，DE技術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 計靈活性。在制作GaAs量子點的情況下，多個金屬Ga(鎵）液滴首先在As4(四砷）氣體 不存在時于基底上形成。隨后通過暴露于四砷氣體，液滴結晶以形成砷化鎵量子點。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 常會造成在沉積AlGaAs覆蓋層的過程中晶體質量及光學質量的衰退。此外，在砷化鎵材料 摻雜碳原子時，該低溫環(huán)境也強烈影響砷化鎵材料的形成。 已證明四砷氣體的濃度和結晶溫度會決定最終形態(tài)。例如，通常砷化鎵量子點沒 有摻雜碳原子且在結晶步驟在供應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。在結晶步驟，在10 6~10 7托四砷氣體下，在200°C~450°C生長溫 度下，生成單量子環(huán)（QR)、雙量子環(huán)或多量子環(huán)。在更高的結晶溫度（T= 450°C~620°C) 下生長洞形納米結構。 -系列過去的研究證明，實驗條件能夠決定最終結構。然而，仍存在一些缺陷。在 形成砷化鎵量子點的情況下，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 溫生長工藝通常會造成在沉積AlGaAs覆蓋層的過程中晶體質量及光學質量的衰退。因此， 對于制造高質量的量子點，更多的研究工作仍然是有必要的。 此外，對于研究半導體納米結構中的新的物理現(xiàn)象，受限電子與束縛于受體雜質 的光激發(fā)的空穴之間的再結合具有很多優(yōu)點。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)的能譜的直接測量方式，而且空穴的定位釋放k-保護規(guī)則， 使得能夠調查電子狀態(tài)的總電子密度。非常成功地使用該技術探測二維（2D)電子系統(tǒng)的 物理現(xiàn)象，從而導致朗道能級（Landaulevel)、Shubnikov-deHaas振動、分數(shù)量子霍爾效 應和Wigner結晶的光學調查。然而，至今還沒有涉及零維（量子點）結構的進展。 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用，包括量子點激 光、太陽能電池、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。
技術實現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術，本文公開的半導體器件包括基底和量子點，其中，當在4開爾文的溫 度下測量所述半導體器件時，所述量子點的光致發(fā)光光譜的峰值發(fā)射的半高寬（FWHM)小 于20毫電子伏特。 另外，根據(jù)本專利技術，本文公開的半導體器件包括基底和量子點，其中，所述量子點 的光致發(fā)光光譜在紅光區(qū)域具有超過兩個峰。 另外，根據(jù)本專利技術，本文公開了在半導體器件上生長量子點的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供應周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生長溫度下，在所述基 底上生長周期表第三族-第五族材料的緩沖層；（d)降低所述生長溫度到大約500°C; (e) 停止供應周期表第五族材料；（f)生長周期表第三族材料液滴；(g)降低所述生長溫度到小 于大約400°C; (h)生長更多的周期表第三族材料液滴；以及（i)升高所述生長溫度到介于 360°C到 450°C。 另外，根據(jù)本專利技術，本文公開了在半導體器件上生長量子點的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供應周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生長溫度下，在所述基 底上生長周期表第三族-第五族材料的緩沖層；（d)停止供應周期表第五族材料；(e)供應 周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生長溫度到小于大約200°C;(g)停 止供應周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及（h)生長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。 應該理解，上述一般性的描述和以下詳細描述都僅僅是示例性的和解釋性的，而 不對所要求的本專利技術的保護范圍構成限制。【附圖說明】 被并入并構成本說明書的一部分的附圖示出多個實施方式。 圖1為示出示例性砷化鎵量子點半導體器件的示意圖； 圖2A為示例性砷化鎵量子點的表面形本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種在半導體器件上生長量子點的方法，包括：(a)提供基底；(b)供應周期表第五族材料；(c)在大于500℃的生長溫度下，在所述基底上生長周期表第三族?第五族材料的緩沖層；(d)停止供應周期表第五族材料；(e)供應周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生長溫度到小于大約200℃；(g)停止供應周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及(h)生長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。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張宇辰，
申請(專利權)人：張宇辰，
類型：發(fā)明
國別省市：中國臺灣;71