低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料及其器件應(yīng)用研究進(jìn)展_王占國(guó)

1、-低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料及其器件應(yīng)用研究進(jìn)展_王占國(guó) 院士論壇 低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料及其器件應(yīng)用研究進(jìn)展 中國(guó)科學(xué)院院士王占國(guó) (中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京100083) 摘要:人們預(yù)測(cè),到2010年,以硅材料為核心的當(dāng)代微電子技術(shù)的CMOS邏輯電路圖形尺寸將達(dá) 到0.05微米或更小。到達(dá)這個(gè)尺寸后,一系列來(lái)自器件工作原理和工藝技術(shù)自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等將成為難以克服的問(wèn)題。從某種意義上說(shuō),這就是硅微電子技術(shù)的“極限”。為迎接硅微電子技術(shù)的“極限”的挑戰(zhàn),滿足人類社會(huì)不斷增長(zhǎng)的對(duì)更大信息量的需求,近年來(lái),基于低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的量子力學(xué)效應(yīng)(如:量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿、量子相干、庫(kù)

2、侖阻塞和非線性光學(xué)效應(yīng)等)的固態(tài)納米電子、光電子器件與電路和基于單分子及大分子結(jié)構(gòu)所特有性質(zhì)的分子電子學(xué)受到了廣泛的重視。它們的研究與發(fā)展極有可能觸發(fā)新的革命,應(yīng)當(dāng)給于充分的重視。本文第一部分將簡(jiǎn)單介紹低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的定義、性質(zhì)及其在未來(lái)信息技術(shù)中的地位;第二、三部分分別討論低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備方法與評(píng)價(jià)技術(shù);第四部分對(duì)近年來(lái)低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料和基于它的固態(tài)量子器件研制所取得的進(jìn)展、存在的問(wèn)題和發(fā)展的趨勢(shì)作扼要的綜述;最后,結(jié)合國(guó)情和我國(guó)在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,提出發(fā)展我國(guó)低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料及其器件應(yīng)用的構(gòu)想。關(guān)鍵詞:低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)量子器件 工程實(shí)施)新型半導(dǎo)體材料,具有與體材料截 然不同的性

3、質(zhì)。隨著材料維度的降低和結(jié)構(gòu)特征尺寸的減小(100nm),量子尺寸效應(yīng),量子干涉效應(yīng),量子隧穿效應(yīng),庫(kù)侖阻塞效應(yīng)以及多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)都會(huì)表現(xiàn)得越來(lái)越明顯,這將從更深的層次揭示出低維材料所特有的新現(xiàn)象、新效應(yīng)。MBE、MOCVD技術(shù),超微細(xì)原子加工和電子束光刻技術(shù)等的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)低維材料生長(zhǎng),量子器件(量子干涉晶體管,量子線場(chǎng)效應(yīng)晶體管,單電子晶體管和單電子存儲(chǔ)器以及量子點(diǎn)激光器,微腔激光器等)的研制創(chuàng)造了條件。這類量子器件以其固有的超高速(10121013sec)、超高頻(> 102 1000GHz)、高集成度(>10元器件/cm)、高效低功耗和極低閾值電流密度(亞微安)、極

4、高量子效率、高的調(diào)制速度與極窄帶寬以及高特征溫度等特點(diǎn)在未來(lái)的納米電子學(xué)、光子學(xué)和光電集成以及ULSI等方面有著極其重要應(yīng)用前景,極有 1引言 低維半導(dǎo)體材料通常是指除三維體材料外的二維、一維和零維材料;二維超晶格、量子阱材料,是指載流子在二個(gè)方向(如在x,y平面內(nèi))上可以自由運(yùn)動(dòng),而在另外一個(gè)方向(z)則受到約束,即材料在這個(gè)方向的尺寸與電子 或電子的平的德布洛意波長(zhǎng)(/2mE)d=h 均自由程(L2DEG=相比擬或更小。 q 一維量子線材料,是指載流子僅在一個(gè)方向可以自由運(yùn)動(dòng),而在另外兩個(gè)方向則受到約束; 零維量子點(diǎn)材料,是指載流子在三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)都要受到約束的材料系統(tǒng),即電子在三個(gè)維度上

5、的能量都是量子化的。本文主要討論一維量子線和零維量子點(diǎn)微結(jié)構(gòu)材料。 低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料是一種人工可改性的(通過(guò)能帶 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.69736010)。 王占國(guó)(WANGZhanguo,1938.12.29-),男,河南省鎮(zhèn)平縣人,中國(guó)科學(xué)院院士,半導(dǎo)體材料物理學(xué)家。1962年畢業(yè)于天津南開(kāi)大學(xué)物理系。現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員,博士生導(dǎo)師,國(guó)家高技術(shù)新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)委員,功能材料專家組組長(zhǎng)。王占國(guó)院士是我國(guó)半導(dǎo)體材料科學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人之一。他長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體材料及材料物理研究,在半導(dǎo)體深能級(jí)物理、光譜物理和低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)及性質(zhì)研究中,取得了多項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)水平的成果,十

6、多年來(lái),在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文170多篇。研究成果曾獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步一、二、三等獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)以及國(guó)家七五,八五重點(diǎn)科技攻關(guān)獎(jiǎng)多項(xiàng)。 22卷1期1 院士論壇 決定的。一般來(lái)說(shuō),為了得到較好質(zhì)量的外延層,生長(zhǎng)條件要選在生長(zhǎng)速度的擴(kuò)散控制區(qū)進(jìn)行,也就是說(shuō)外延生長(zhǎng)是在準(zhǔn)熱力學(xué)平衡條件下進(jìn)行的。 MOCVD的主要優(yōu)點(diǎn)是適合于生長(zhǎng)各種單質(zhì)和化合物薄膜材料,特別是蒸氣壓高的磷化物,高Tc超導(dǎo)氧化物及金屬薄膜等;另外,MOCVD用于生長(zhǎng)化合物的各組分和摻雜劑都是氣態(tài)源,便于精確控制及換源無(wú)需將系統(tǒng)暴露大氣;加之生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)較MBE大以及單溫區(qū)外延生長(zhǎng),需要控制的參數(shù)少等特點(diǎn),使MOCV

7、D技術(shù)有利于大面積、多片的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);目前工業(yè)生產(chǎn)型( 315, 45等)MOCVD設(shè)備已研制成功,并投入生產(chǎn)。MOCVD技術(shù)的弱點(diǎn)除MO源和氫化物毒性大、化學(xué)污染需倍加防范外,較高的生長(zhǎng)溫度會(huì)使材料純度和界面質(zhì)量與MBE相比要差。 6,7 類似的技術(shù)還有化學(xué)束外延(CBE),金屬有機(jī)化合物分子束外延(MOMBE)和氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)。這二者與CBE不同,都使用部分固態(tài)源,前者是用族金屬有機(jī)化合物(如:TMGa,TMIn等)取代族元素Ga,In等作源材料,后者則是用族氫化物取代固態(tài)族元素P,As等作為源材料。對(duì)-族等其它材料體系的命名也類似。 2.2超晶格、量子阱材料生長(zhǎng)和精細(xì)加

8、工相結(jié)合的制備技術(shù) 利用MBE或MOCVE等技術(shù)首先生長(zhǎng)超晶格、量子阱器件結(jié)構(gòu)材料如:AlGaAs/GaAs2DEG材料等,進(jìn)而結(jié)合高空間分辨電子束曝光直寫(xiě),濕法或干法刻蝕和微細(xì)離子束注入隔離制備量子線和量子點(diǎn)。利用這種辦法,原則上,可產(chǎn)生最小特征寬度為10nm的結(jié)構(gòu),并已制成具有二維和三維約束效應(yīng)的量子線、量子點(diǎn)及其陣列。表一給出了目前微細(xì)加工國(guó)內(nèi)外所達(dá)到的水平。 上述方法的優(yōu)點(diǎn)是圖形的幾何形狀和密度(在分辨率范圍內(nèi))可控;其缺點(diǎn)是圖形實(shí)際分辨率(受電子束背散射效應(yīng)影響)不高(幾十nm),橫向尺寸遠(yuǎn)比縱向尺寸大;邊墻(輻射,刻蝕)損傷,缺陷引入和雜質(zhì)沾污使器件性能變差以及曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。 2

9、.3應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù) 外延生長(zhǎng)過(guò)程中,根據(jù)晶格失配和表面、界面能不同,存在著三種生長(zhǎng)模式8:a.晶格匹配體系的二維層狀(平面)生長(zhǎng)的Frank-VanderMerwe模式;b.大晶格失配和大界面能材料體系的三維島狀生長(zhǎng)模式,即Volmer-Weber模式;c.大晶格失配和較小界面能材料體系的先層狀進(jìn)而過(guò)渡到島狀生長(zhǎng)的Stranski-Krastanow(SK)模式。 應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料的制備是利用SK生長(zhǎng)模式,他主要用于描述具有較大晶格失配,而界面能較小的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)行為。SK模式生長(zhǎng)的初始階段是二維平面生長(zhǎng),通常只有幾個(gè)原子層厚,稱之為浸潤(rùn)層(Wettinglayer)

10、。隨著浸潤(rùn)層厚度增加,應(yīng)變能不斷積累,當(dāng)浸潤(rùn)層厚度達(dá)到某一個(gè)臨界厚度tc時(shí),外延生長(zhǎng)過(guò)程則由二維平面生長(zhǎng)向三維島狀生長(zhǎng)過(guò)渡(實(shí)驗(yàn)上,可由RHEED花樣由條狀向點(diǎn)狀變化控制)。三維島狀生長(zhǎng)初期,形成的納米量級(jí)尺寸小島周圍是無(wú)位錯(cuò)的。若用禁帶寬度較大的材料將其包圍起來(lái),小島中的載流子將受到三維限制。小島的直徑一般為幾十nm,高約幾個(gè)nm,通常稱作為量子點(diǎn)。 三維島狀生長(zhǎng)的tc由異質(zhì)外延材料晶格失配度和生長(zhǎng)條件(如,襯底溫度,V/III比等)決定?？刂剖鋵由L(zhǎng)厚度和優(yōu)化生長(zhǎng)條件可制備出量子點(diǎn)尺寸和分布均勻(10%), 世界科技研究與發(fā)展 可能觸發(fā)新的技術(shù)革命,成為下世紀(jì)信息技術(shù)的支柱。美、 日、西

11、歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家先后集中人力和物力建立了10多個(gè)這樣的研究中心或?qū)嶒?yàn)基地,加緊研究開(kāi)發(fā)步伐,力圖在21世紀(jì)初能在這一新興的高科技領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。 2低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備技術(shù) 低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展很大程度上是依賴材料先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)(MBE,MOCVE等)和精細(xì)加工工藝(聚焦電子、離子束和X-射線、光刻技術(shù)等)的進(jìn)步。本節(jié)將首先介紹MBE和MOCVD技術(shù),進(jìn)而介紹如何將上述兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)量子線和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料的制備,第三,對(duì)近年來(lái)得到迅速發(fā)展的應(yīng)變自組裝制備量子點(diǎn)和量子點(diǎn)陣列方法進(jìn)行較詳細(xì)討論,最后對(duì)其它制備技術(shù)也將加以簡(jiǎn)單介紹。 2.1MBE和MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)2.1.1分子束外延(MB

12、E)技術(shù)1-3 MBE技術(shù)實(shí)際上是超高真空條件下,對(duì)分子或原子束源和襯底溫度加以精密控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù)。通常認(rèn)為MBE材料生長(zhǎng)機(jī)理與建立在熱力學(xué)平衡條件下的LPE和VPE不同,即是說(shuō)分子(原子)束在襯底表面上發(fā)生的過(guò)程是受動(dòng)力學(xué)支配的。研究表明:MBE生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)具有熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)同時(shí)并存、相互關(guān)聯(lián)系統(tǒng);只有在由分子束源產(chǎn)生的分子(原子)束不受碰撞地直接噴射到受熱的潔凈襯底表面,在表面上遷移、吸附或通過(guò)反射或脫附過(guò)程離開(kāi)表面,而在襯底表面與氣態(tài)分子之間建立一個(gè)準(zhǔn)平衡區(qū),使晶體生長(zhǎng)過(guò)程接近于熱力學(xué)平衡條件,即使每一個(gè)結(jié)合到晶格中的原子都能選擇到一個(gè)自由能最低格點(diǎn)位置,才能生長(zhǎng)出高質(zhì)量的M

13、BE材料。 MBE與其它傳統(tǒng)生長(zhǎng)技術(shù)(LPE,VPE等)相比有許多優(yōu)點(diǎn)。如在系統(tǒng)中配置必要的儀器便可對(duì)外延生長(zhǎng)的表面、生長(zhǎng)機(jī)理、外延層結(jié)晶學(xué)質(zhì)量以及電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行原位檢測(cè)和評(píng)估;它的生長(zhǎng)速率慢和噴射源束流的精確控制有利于獲得超薄層和單原子層界面突變的異質(zhì)結(jié)構(gòu);通過(guò)對(duì)合金組份和雜質(zhì)濃度的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的“人工剪裁”,從而制備出各種復(fù)雜勢(shì)能輪廓和雜質(zhì)分布的超薄層微結(jié)構(gòu)材料。 MBE還有利于同其它微細(xì)加工技術(shù)如:超微細(xì)離子注入技術(shù),掃描隧道電鏡(STM)技術(shù),電子束曝光技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕及其圖形化生長(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合,以期實(shí)現(xiàn)近年來(lái)很受重視的量子線、量子點(diǎn)材料的制備。 2.1.2金屬有機(jī)化

14、合物化學(xué)汽相淀積(MOCVD)技4,5術(shù) MOCVD或MOVPE是和MBE同時(shí)發(fā)展起來(lái)的另一種先進(jìn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)。MOCVD是用氫氣將金屬有機(jī)化合物蒸氣和氣態(tài)非金屬氫化物經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)送入反應(yīng)室加熱的襯底上,通過(guò)熱分解反應(yīng)而最終在其上生長(zhǎng)出外延層的技術(shù)。它的生長(zhǎng)過(guò)程涉及氣相和固體表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量輸運(yùn)及其二者相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。MOCVD是在常壓或低壓(Torr量級(jí))下生長(zhǎng)的,氫氣攜帶的金屬有機(jī)物源(如族)在擴(kuò)散通過(guò)襯底表面的停滯氣體層時(shí)會(huì)部分或全部分解成族原子,在襯底表面運(yùn)動(dòng)遷移到合適的晶格位置,并捕獲在襯底表面已熱解了的族原子,從而形成-族化合物或合金。在通常溫度下,MOCVD

15、生長(zhǎng)速率主要是由族金屬有機(jī)分子通過(guò)(邊界層)停滯層的擴(kuò)散速率來(lái) 院士論壇 密度為108-1012cm-2和無(wú)缺陷的量子點(diǎn)材料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可將QDs的橫向尺寸縮小到幾十納米以內(nèi),可做到無(wú)損傷,缺點(diǎn)是量子線和量子點(diǎn)的幾何形狀,尺寸均勻性和密度難以控制。 表1國(guó)內(nèi)外細(xì)微加工水平 方法光學(xué)光刻技術(shù)X光光刻技術(shù) 國(guó)外0.25已用于VLSI最小線寬80nm,接觸爆光可達(dá)10nm。 國(guó)內(nèi)0.8-1m已用于ULSI 最好為:0.150.3m - 電子束光刻技束斑min1nm,采 術(shù)(EBL)用PMMA膠已實(shí)現(xiàn) 8nm圖形制備。聚焦離子束束斑可達(dá)10nm,可FIB)實(shí)現(xiàn)12nm圖形制備 (一般為100nm

16、)。無(wú)損傷納米加單原子層刻蝕技術(shù), 工技術(shù)STM單原子操作加 工技術(shù)。分辨率:橫向0.1nm,縱向0.01nm。 最佳分辨率為 30nm,可實(shí)現(xiàn)0.06-0.1m圖形制備。 已開(kāi)展STM單原子操作與加工技術(shù)研究。 2.4低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的其它制備技術(shù)除上述的方法外,其它的制備技術(shù)主要有:在圖形化襯底和不同取向晶面上的選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)如:a.利用不同晶面生長(zhǎng)速度不同的V型槽生長(zhǎng)技術(shù);b.解理面再生長(zhǎng)技術(shù);c.高指數(shù)面生長(zhǎng)技術(shù);d.小角度傾斜晶面生長(zhǎng)短周期超晶格材料技術(shù);e.在其他圖形化襯底上的生長(zhǎng)技術(shù)等。 此外,單原子操縱和加工技術(shù)也受到重視。目前,利用STM技術(shù),不僅可以在電場(chǎng)蒸發(fā)作用下從硅

17、表面上移走單個(gè)Si原子,將它放置在表面任何位置,也可將這個(gè)Si原子放入表面的單原子缺陷中去,從而實(shí)現(xiàn)原子修飾等功能9。單原子操縱和加工技術(shù)雖已顯示出誘人的前景,但距實(shí)驗(yàn)化還有很長(zhǎng)的路要走。如:用場(chǎng)發(fā)射STM技術(shù),1s寫(xiě)一個(gè)量子點(diǎn)(600ns寫(xiě),400ns移動(dòng)脈沖),需4個(gè)月才能完成1TBit記憶芯片(106106)制備,很顯然,這是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的!最近,已將STM和MEMS結(jié)合起來(lái)形成了多元陣列,是這種技術(shù)向?qū)嵱没~出的重要一步。 STM實(shí)驗(yàn)裝置是用壓電陶瓷掃描單元來(lái)控制針尖在樣品表面(X、Y)和垂直于表面的Z方向作三維運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面形貌的測(cè)量。STM的工作模式可分恒高度和恒電流二種

18、模式。恒高度模式是保持針尖與樣品表面距離(最大)一定,事實(shí)上當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí),針尖與樣品表面的間距將隨樣品表面起浮而改變,記錄隧道電流隨X和Y位置的變化軌跡,便可直接獲得樣品表面形貌。恒電流模式是在掃描過(guò)程中,利用反饋電路在Z方向上控制針尖與樣品間距,從反饋電壓隨X和Y位置變化獲得樣品表面形貌。前者和后者分別適用于對(duì)平坦表面和起伏較大表面的測(cè)量。應(yīng)當(dāng)指出,STM圖象所反映的不是精確的樣品表面原子的實(shí)際位置,而是原子實(shí)際位置與表面電子局域態(tài)密度的綜合結(jié)果。 AFM測(cè)量針尖與樣品表面之間的力。將一個(gè)對(duì)微弱敏感的懸臂一端固定,另一端有一微小針尖,針尖與表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原

19、子間存在極微弱的排斥力(10-810-6N),通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定,帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法,可測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化,從而可以獲得樣品表面形貌的信息。 3.2HRTEM技術(shù) 高分辨透射電鏡技術(shù),特別是高分辨截面像技術(shù),不僅可用來(lái)對(duì)納米尺度的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,而且還能提供多層結(jié)構(gòu),特別是界面原子排列,缺陷行為的重要信息。 3.3高空間分辨陰極熒光(EL)和SEM技術(shù) 在低溫和高真空條件下,利用聚焦電子束作激發(fā)源,對(duì)單個(gè)或幾個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)光行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究已有報(bào)導(dǎo),例如,用3KV電壓,

20、電流為60PA的電子束作激發(fā)源(高對(duì)稱的橫向分辨約50nm的束斑),成功地對(duì)InAs量子點(diǎn)的發(fā)光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,直接證實(shí)了量子點(diǎn)的-函數(shù)的電子態(tài)密度12。但電子束的輻照效應(yīng)和注入載流子的擴(kuò)散致使對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析帶來(lái)不確定性。采用掩膜技術(shù)也可對(duì)單個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)光行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 3.4近場(chǎng)高空間分辨PL技術(shù) 近場(chǎng)PL技術(shù)是一個(gè)正在發(fā)展中的技術(shù),它不受常規(guī)光 學(xué)顯微鏡受光衍射極限(最小光束直徑的限制,通過(guò)光 2 纖有可能實(shí)現(xiàn)具有納米量級(jí)的光束直徑光源。利用這種光源結(jié)合高靈敏的光探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。 3低維半導(dǎo)體材料的評(píng)價(jià)技術(shù) 隨著材料尺寸減小到納米量級(jí)范圍時(shí),現(xiàn)有的基于反映體

21、材料的宏觀平均性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)都不再適用,需要發(fā)展新的納米尺度的測(cè)試分析技術(shù)。下面作簡(jiǎn)要地介紹。 3.1STM和AFM原位檢測(cè)技術(shù)10,11 掃描探針顯微術(shù)是利用探針針尖與表面原子間的不同種類的局域作用來(lái)測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的,STM和AFM就是最近研制成功的這種技術(shù)。 STM的工作原理是基于量子隧道效應(yīng)。在金屬針尖與金屬或半導(dǎo)體樣品間加一偏置電壓,且當(dāng)針尖與樣品間距小于1nm時(shí),電子將穿透針尖與樣品表面間的勢(shì)壘而產(chǎn)生隧道電流。由于隧道電流與針尖和樣品表面間距呈指數(shù)依賴關(guān)系,故隧道電流對(duì)樣品表面起伏非常敏感。22卷1期4低維固態(tài)量子器件研制進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì) 人們預(yù)測(cè)到2010年硅FETs的柵

22、長(zhǎng)可達(dá)到50nm或許更 小,這很可能是一個(gè)臨界尺寸。這時(shí)不僅要遇到:a.高電場(chǎng)下硅和二氧化硅的雪崩擊穿;b.高集成度時(shí)的熱耗散問(wèn)題;c.體性質(zhì)消失和摻雜不均勻帶來(lái)的問(wèn)題;d.電子隧穿出現(xiàn)以及薄氧化層的不平坦以及互聯(lián)延遲等難以克服的困難;而且,隨集成度提高,價(jià)格迅速下降的規(guī)律也將不能保持;再者,開(kāi)發(fā)小于100nm工藝技術(shù)所耗資金,也恐難以承受。因而,基于低維半導(dǎo)體材料的固態(tài)量子器件的研究受到了重視,并在納米電子、光電子器件研制方面取得很大進(jìn)展。 4.1典型固態(tài)量子器件的工作原理簡(jiǎn)介13 低維量子器件可簡(jiǎn)單的分為納米電子器件和納米光電子器件。納米電子器件包括:共振隧穿器件(RTDs),量子點(diǎn) 3

23、院士論壇 (E-E)-f(E)dE M是價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的躍遷矩陣元,E),E-E)e(v(是導(dǎo)帶和價(jià)帶電子和空穴的態(tài)密度,f(E)是態(tài)的占有幾率。態(tài)密度對(duì)的貢獻(xiàn)主要來(lái)自Efn),Efp),特別是受激發(fā)e(v(射更是如此。因此(hw)Efn)Efp);fn和fp在體材料c(v( 中接近帶邊Ee和Ev,在低維材料中,接近第一個(gè)子能級(jí)。顯然,一維材料的態(tài)密度在開(kāi)始階段最大(理想情況下是無(wú)窮大),而零維材料的態(tài)密度理想情況下是-函數(shù)。從理論上看,量子線,特別是量子點(diǎn)激光器將有更低的閾值,更高的微分增益和更窄的光譜帶寬以及最高的特征工作溫度。 計(jì)算表明,量子阱激光器閾值電流可低達(dá)0.1mA(已基本實(shí)現(xiàn))

24、,而量子線激光器閾值電流Arakawa等預(yù)言可低達(dá)2A。對(duì)于零維系統(tǒng),Miyamoto14等曾計(jì)算了GaInAsP/InP量子點(diǎn)激光器的閾值電流,計(jì)算考慮了量子點(diǎn)的尺寸漲落,閾 2 值電流密度可低達(dá)14A/cm。但由于制作工藝的困難,目前量子線和量子點(diǎn)激光器的閾值電流密度離理論預(yù)言的結(jié)果尚有較大的距離。 15 4.2分子電子學(xué)(MolecularElectronics) 分子電子學(xué)主要是應(yīng)用與襯底電絕緣的共價(jià)鍵分子結(jié)構(gòu)組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們不同于基于體效應(yīng)像半導(dǎo)體器件那樣的有機(jī)晶體管和有機(jī)物構(gòu)成的器件。它的優(yōu)點(diǎn)是容易制成完全相同的結(jié)構(gòu),因?yàn)榇罅康墓铝⒎肿?天然納米尺度結(jié)構(gòu)是完全相同的,與硅等相比,

25、在設(shè)計(jì)和制造納米器件時(shí)有更多的可選擇性。 分子電子學(xué)目前與固體納米電子學(xué)比,仍處在探索研究階段。但它已穩(wěn)步地取得進(jìn)展,并在價(jià)廉和真正的納米尺寸上的集成方面有明顯優(yōu)勢(shì)。分子電子學(xué)目前研究的主要內(nèi)容有:分子線結(jié)構(gòu),量子效應(yīng)分子RTD結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制,以及電機(jī)械分子電子學(xué)器件等。組裝主要利用STM、AFM和MEMS(微電子機(jī)械體系包括AFM和STM的列陣)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4.3低維固態(tài)量子器件研制進(jìn)展4.3.1超晶格、量子阱器件高電子遷移率晶體管(HEMTs),異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs),超高亮度(紅光、黃光和橙光等)發(fā)光管LEDs和量子阱激光器(QWLD)等已實(shí)用化;垂直面發(fā)射激光器,紅外探測(cè)器,

26、GaN基蘭、錄光LEDs和QWLDs也已研制成功,這里不再贅述。這里只介紹最近發(fā)展起來(lái)的微腔和量子級(jí)聯(lián)激光器。 (1)微腔激光器和光子晶體16-18光學(xué)微腔(OpticalMicrocavity)是指具有高品質(zhì)因子而尺寸與諧振光波長(zhǎng)()相比擬的光學(xué)微型諧振器。隨著MBE、MOCVD材料生長(zhǎng)技術(shù)和現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展,設(shè)計(jì)、制造有實(shí)用價(jià)值的光學(xué)微腔已成為可能,并在低(無(wú))閾值激光器研制方面取得了很大進(jìn)展。 大家知道,當(dāng)光腔尺度與光波長(zhǎng)可比擬時(shí),腔內(nèi)真空?qǐng)?3 的光學(xué)模式數(shù)則大大減小(1個(gè)光學(xué)模式占有相當(dāng)于2n 大小體積,n為介質(zhì)有效折射率)。在理想情況下,若用一個(gè)邊長(zhǎng)為半波長(zhǎng),周界為全反射壁的立

27、方微腔,有可能將一個(gè)單模光場(chǎng)分離出來(lái),這為實(shí)現(xiàn)低(無(wú))閾值激光器的研制提供了科學(xué)依據(jù)。 在激光器理論中,自發(fā)發(fā)射耦合系數(shù)定義為自發(fā)發(fā)射耦合到單一激射模式的能量與自發(fā)發(fā)射總能量之比。常規(guī) 5 的激光器的(在10-410-之間,效率低,閾值高。微腔激光器的值可接近1;在值接近1,品質(zhì)因子很高的微腔中,自發(fā)發(fā)射的光子被保留在腔內(nèi),使自發(fā)發(fā)射成為可逆的過(guò)程, 世界科技研究與發(fā)展 器件(QDs)和單電子器件:單電子晶體管(SETs)和單電子存儲(chǔ)器(SEMs)等。納米光電子器件,則著重介紹基于應(yīng)變自組裝的量子點(diǎn)激光器。 4.1.1納米電子器件 當(dāng)電子被受限于兩個(gè)空間相距很近的勢(shì)壘之間的島區(qū)時(shí),所遇到的兩個(gè)

28、基本的量子力學(xué)效應(yīng)是:a.電子在勢(shì)阱中能量量子化,形成分立的量子態(tài),設(shè)量子化分立能級(jí)的能量差為;b.勢(shì)壘越薄(510nm),占據(jù)低于勢(shì)壘高度能態(tài)的電子有一定的隧穿進(jìn)入島區(qū)或離開(kāi)島區(qū)的幾率,但這種情況僅當(dāng)另一側(cè)存在具有相同能量的空態(tài)時(shí)方能實(shí)現(xiàn)。顯然,能量的量子化和隧穿強(qiáng)烈地影響著通過(guò)量子點(diǎn)的電流。 共振隧穿二極管(RTDs)的結(jié)構(gòu)是由寬禁帶半導(dǎo)體材料(如AlAs)壘區(qū)和長(zhǎng)而窄(5-10nm)的窄禁帶半導(dǎo)體材料(如GaAs)的“量子線”島區(qū)和帶有金屬接觸電極的GaAs源與漏區(qū)組成,滿足>>U要求。其工作原理是:在零偏或一個(gè)小偏置電壓加在器件兩端時(shí),勢(shì)壘將阻止源區(qū)的電子通過(guò)島區(qū)(電流為零

29、);當(dāng)偏置電壓增加到使阱中一個(gè)未占據(jù)態(tài)的能量處于源區(qū)導(dǎo)帶占據(jù)態(tài)的能量范圍內(nèi)時(shí),器件則處于共振態(tài)或開(kāi)態(tài),電流通過(guò)島區(qū)并流出漏區(qū)。否則器件將處于非共振態(tài)或關(guān)態(tài)。RTTs與RTDs不同,它是一個(gè)三端器件,由柵電壓控制開(kāi)關(guān)和放大作用的,工作原理與RTD類似。 RTDs,RTTs可有多重開(kāi)啟態(tài),這同勢(shì)阱內(nèi)中量子化能態(tài)相關(guān)。若大于源區(qū)導(dǎo)帶邊同Ef之能量差,即勢(shì)阱中的不同能級(jí)將依次(在柵壓作用下)同源區(qū)導(dǎo)帶電子占據(jù)態(tài)共振,形成多重開(kāi)關(guān)態(tài),這是與通常的MOSFETs不同之處。 QDs,RTDs和單電子晶體管SETs之間的差別在于:小島的電子能態(tài)不同。首先,小島沿X,Y和Z方向的尺寸可能不同,故電子量子化分立能

30、級(jí)沿不同方向也是不同的,即x,進(jìn)而,事實(shí)上,當(dāng)一個(gè)額外的附加電子如第y和z不同;(N+1)個(gè)電子進(jìn)入并不是處于空態(tài)的小島時(shí),它必需克服原有島上的N個(gè)電子的靜電排斥能。這個(gè)能量稱作U。顯然,總能量差,即島上N個(gè)電子最低能態(tài)與第(N+1)個(gè)電子的最低量子能態(tài)之差,是U+。U和相對(duì)大小依賴于島的形 1 狀和尺寸,Rmin為島的最小尺寸;另一方面,U也 Rmin 1 隨島的尺寸減小而增加,但服從U關(guān)系。Reff是島的有 Reff 效半徑,等效于島的最長(zhǎng)邊,換句話說(shuō)U隨島上移動(dòng)電子對(duì)間平均距離<r>的減小而增大。若島的一個(gè)方向較長(zhǎng),那么電子將沿該方向分布開(kāi)來(lái),使U變小;相反,若島只要有一個(gè)方

31、向很小,那么就會(huì)很大。因?yàn)閁和的相對(duì)大小控制著器件的行為,島的形狀又強(qiáng)烈地影響著U和的相對(duì)大小,因而島的形狀是區(qū)分上述三種納米器件的基礎(chǔ)。綜上所述, a.RTDs是由包含大量電子的窄(5-10nm)而長(zhǎng)的半導(dǎo)體“量子線”島組成,它滿足>>U關(guān)系。 b.零維QDs的三個(gè)方向都很小,可由金屬和半導(dǎo)體材組成。x,y,z都大,充電能U也很大。IvsV曲線滿足:U; c.SETs和SEMs服從:U>>關(guān)系。單電子器件的工作原理是基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。 4.1.2量子點(diǎn)激光器 大家知道半導(dǎo)體材料的帶間躍遷產(chǎn)生的光學(xué)吸收或光增益可寫(xiě)成: e2h2 (E)=)E-E) M(E,E-E) f

32、e(v(20m0CnEg 院士論壇 從而有可能實(shí)現(xiàn)無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激射。當(dāng)=1時(shí),功率-電流曲線不再有表示閾值的拐點(diǎn),這就是所謂的無(wú)閾值激光器。一般與腔的大小,形狀和腔壁特性有關(guān),因此,優(yōu)化腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)提高值有著重要意義。 目前,已在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了多種微腔結(jié)構(gòu)如法布里-泊里微腔(Fabry-Perotcavity)回音壁(WhisperingGalleryMode)和光子晶體缺陷模微腔等。1992年美國(guó)AT&TBell實(shí)驗(yàn)室研制成功InGaAs/InGaAsP半導(dǎo)體多量子阱微盤(pán)激光器。微腔結(jié)構(gòu)是用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng),HCl溶液選擇腐蝕制成。具體結(jié)構(gòu)是:上盤(pán)是制作在P型InGaAsP材料上直

33、徑為4.5m的電極上,下盤(pán)是微腔激光器結(jié)構(gòu),由直徑5m,厚0.3m的4個(gè)(10nm)InGaAs阱和5個(gè)InGaAsP壘層組成。上、下盤(pán)的支撐分別由直徑1m的P和N型InP材料構(gòu)成,下電極為n型InP襯底。室溫(300K)脈沖激射(電流脈沖寬為0.3m,占空因子為300:1),激射波長(zhǎng)為1.58m,閾值電流為0.9mA。 近年來(lái),人們又提出了光子晶體的概念,并用類似于固體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播,光子晶體具有光帶隙(禁帶),相應(yīng)帶隙能量的光波在光子晶體中傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞,那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模,光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而

34、量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔,從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。 用來(lái)制備微腔激光器的材料可以是無(wú)機(jī)的玻璃微珠,半導(dǎo)體及其微結(jié)構(gòu)材料,也可以是有機(jī)染料液滴,有機(jī)或聚合物材料。最近,美國(guó)加州大學(xué),普林斯頓大學(xué),英國(guó)的劍橋大學(xué)以及IBM公司相繼實(shí)現(xiàn)了有機(jī)或聚合物微腔結(jié)構(gòu)的光泵受激發(fā)射,引起了人們的注意。 微腔激光器,特別是垂直腔面發(fā)射微腔激光器具有尺寸小,動(dòng)態(tài)單縱模、窄光束、垂直于襯底出光和便于集成等優(yōu)點(diǎn),因而除在傳統(tǒng)激光器的各個(gè)應(yīng)用方面外,特別在光信息處理、光互連、光計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用前景。 (2)量子級(jí)聯(lián)紅外激光材料和激光

35、器 傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器均是基于正向偏置PN結(jié)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的輻射復(fù)合,因而帶隙決定了工作波長(zhǎng)?；贗II-V族材料激光器的發(fā)射波長(zhǎng)都不超過(guò)4m,再長(zhǎng)波長(zhǎng)只能采用IV-IV族的鉛鹽系及II-VI族的汞硫系等所謂窄帶隙材料了。但窄帶隙材料制備技術(shù)尚不成熟。 量子級(jí)聯(lián)激光器19是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源。激射方案是利用垂直于納米級(jí)厚度半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài),在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它的有源區(qū)由多級(jí)串接組成,每一級(jí)由注入?yún)^(qū)、耦合阱激光躍遷區(qū)和弛豫區(qū)三部分構(gòu)成,而每一級(jí)的弛豫區(qū)又是下一級(jí)的注入?yún)^(qū)。圖1是正向偏壓下一個(gè)周期的導(dǎo)帶示意圖,注入/弛豫區(qū)設(shè)計(jì)成梯

36、度帶隙超晶格結(jié)構(gòu)。注入?yún)^(qū)的作用是從有源區(qū)的一側(cè)注入電子,而弛豫區(qū)從另一側(cè)收集電子并在電子注入到下一級(jí)有源區(qū)之前使其充分弛豫降低能量,以避免因電子速度過(guò)高(較寬的速度分布函數(shù))而引起的隧穿效率降低。在閾值電壓下,有源區(qū)的兩個(gè)低能態(tài)子帶(n=0和n=1)間距等于光學(xué)聲子能量,這兩個(gè)子帶間的散射時(shí)間很小(5ps),導(dǎo)致n=1態(tài)210.的壽命很短;另一方面,子帶2與子帶1之間的間距較大,與大的動(dòng)量轉(zhuǎn)移相關(guān)的光學(xué)聲子發(fā)射使得子帶2與子帶1之間的散射時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)(2ps),導(dǎo)致n=2態(tài)的壽命較長(zhǎng)(>3222卷1期1.3ps),滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。梯度帶隙超晶格結(jié)構(gòu)弛豫/注 入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)成n=2態(tài)電子波的B

37、ragg反射器而具有抑制電子從耦合阱的n=2激發(fā)態(tài)的逃逸和促使電子從耦合阱的低能態(tài)(n=0)順序隧穿抽運(yùn)的雙重作用。當(dāng)注入能量對(duì)應(yīng)于n=2態(tài)時(shí),要求弛豫區(qū)的每一對(duì)阱壘滿足Bragg反射條件,形成n=2態(tài)電子波的增反膜。從n=0態(tài)抽運(yùn)出來(lái)的電子進(jìn)入梯度帶隙超晶格結(jié)構(gòu)區(qū)迅速弛豫其動(dòng)量和能量。實(shí)質(zhì)上,梯度帶隙弛豫區(qū)的電子能譜類似于常規(guī)的超晶格的能譜。它有一個(gè)面對(duì)有源區(qū)低能態(tài)的微帶而促使激光躍遷基態(tài)的電子有效的逃逸;另外,它有一個(gè)面對(duì)有源區(qū)高能態(tài)的微帶隙而有效地阻止電子從高能態(tài)的逃逸 。 圖1正向偏壓下(70kV/cm)InGaAs/InAlAs量子級(jí)聯(lián)激光器一 個(gè)周期(耦合量子阱有源區(qū)和梯度帶隙超晶

38、格結(jié)構(gòu)弛豫/注入?yún)^(qū))的導(dǎo)帶示意圖。虛線是梯度帶隙超晶格結(jié)構(gòu)弛豫/注入?yún)^(qū)有效帶底,標(biāo)有“miniband”的區(qū)域表示一簇間距很近的能態(tài)的能量范圍,這種超晶格又設(shè)計(jì)成一個(gè)微帶隙(“mini-gap”)阻止電子從n=2能態(tài)的逃逸,波浪線代表激光躍遷,圖中還顯示出相關(guān)波函數(shù)的模平方,一個(gè)周期的In0./53Ga0.47As In0.nm為單位)自左至右從注入勢(shì)壘52Al0.48As結(jié)構(gòu)層的次序(開(kāi)始:(6.8/4.8),(2.8/3.9),(2.7/2.2),(2.2/2.1),(2.1/2.0),(2.0/1.8),(1.8/1.7),(2.0/1.6),(2.2/1.6),(2.4/1.4),為了

39、減小因注入而產(chǎn)生的空間電荷效應(yīng),其中12至18層(帶下劃 1線區(qū))n型摻雜至31017cm-。 激光器結(jié)構(gòu)是利用分子束外延技術(shù)在InP襯底生長(zhǎng)晶格 匹配的In0./In0.53Ga0.47As52Al0.48As異質(zhì)結(jié)材料系統(tǒng)。它的有源區(qū)由25級(jí)以上交替生長(zhǎng)的耦合阱激光躍遷區(qū)和梯度帶隙超晶格結(jié)構(gòu)弛豫/注入?yún)^(qū)構(gòu)成。其它各層(光波導(dǎo)包層,圖2(a)的限制使有源區(qū)的輻射沿著平行于層的方向傳播。子帶間躍遷的選則定則使模式的極化方向垂直于薄層。這種單模波導(dǎo)的限制因子=0.53,折射率n=3.26。該類激光器的增益過(guò)程由自然解理面構(gòu)成的Fabry-Perot腔實(shí)現(xiàn),這與量子阱激光器的增益原理是一樣的。 激

40、光器樣管采用光刻和化學(xué)腐蝕技術(shù)制成具有脊型波導(dǎo)條形結(jié)構(gòu)、條寬812m的條形器件。等離子沉積SixNy絕緣層后,在脊區(qū)的頂部開(kāi)出窗口,再由電子束蒸發(fā)鈦和金作為歐姆電極。樣片減薄至200m,再淀積鍺、金和銀作為背面歐姆接觸電極。器件被解理成2mm長(zhǎng),解理面為激光器的腔面,腔面不鍍膜。 量子級(jí)聯(lián)激光器的特點(diǎn):(1)工作波長(zhǎng)與所用材料的帶隙無(wú)直接關(guān)系,僅由耦合量子阱子帶間距決定,目前已成功地工作在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)(3.413m)和溫度范圍(10K320K);(2)這種單極粒子躍遷輻射具有單向偏振(TM波)性,極適合于“回音壁模式”微腔激光器的制作;(3)這些躍遷態(tài)之間的聯(lián)合態(tài)密度類似于函數(shù),對(duì)應(yīng)的增益譜

41、很窄,對(duì)稱和具有較小的溫度敏感系數(shù);另外子帶間俄歇復(fù)合可以忽 5 院士論壇 量子級(jí)聯(lián)激光器在中遠(yuǎn)紅外夜視、中遠(yuǎn)紅外光學(xué)雷達(dá)、紅外通信、大氣污染監(jiān)測(cè)、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過(guò)程監(jiān)控等方面有著廣泛的應(yīng)用。 略,因而量子級(jí)聯(lián)激光器具有較大的特征溫度(300K時(shí)的特征溫度為T(mén)0=172K,而鉛鹽及III-V族銻化物激光器的T0值在20-45K范圍),極有利于器件的室溫工作。 InGaAsn=110cm 20 -3 10nm 18 InAlAs/InGaAsgraded帶隙由大到小n=71030nmInAlAsn=7101200nmInAlAsn=31017700nmInAlAsn=21017600nm I

42、nGaAs/InAlAsgraded帶隙由小到大n=2101730nmInGaAsn=11017300nm25級(jí)有源區(qū)1253nmInGaAsn=11017300nm InAlAs/InGaAsgraded帶隙由大到小n=2101725nmInPn=11018 (b) (a ) 18 圖2(a)由分子束外延生長(zhǎng)的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子級(jí)聯(lián)激光器全器件結(jié)構(gòu)的橫斷面圖。整個(gè)結(jié)構(gòu)有500多層,圖中層厚以nm為單位。(b)脊型波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器橫斷面圖,點(diǎn)劃線的圓圈代表最大模式強(qiáng)度區(qū)域。 AT&TBell實(shí)驗(yàn)室94年首先實(shí)現(xiàn)InP襯底上InGaAs/In

43、-AlAs量子級(jí)聯(lián)激光器的低溫脈沖激射,隨后器件性能逐年提 高并在該領(lǐng)域一直領(lǐng)先。波長(zhǎng)約5m的器件連續(xù)工作溫度已達(dá)110K,77K的單腔面連續(xù)功率為200mW,脈沖條件下的最高工作溫度為320K,室溫峰值功率為200mW;波長(zhǎng)約8m的器件在30K和80K的單腔面連續(xù)功率分別為510mW和200mW,100K的脈沖峰值功率為1.3W。由于該激光器的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、技術(shù)難度大,目前僅有美國(guó)的Bell實(shí)驗(yàn)室和西北大學(xué)在正式刊物上報(bào)道研制成功量子級(jí)聯(lián)激光器的消息。98年6月,Bell實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合耶魯大學(xué)和德國(guó)的Max-Plank研究所共同研制成功遠(yuǎn)場(chǎng)方向性極好、高功率、具有混沌諧振腔的量子級(jí)聯(lián)微柱激光器,

44、這種微型激光器集諧振光學(xué)、混沌理論和半導(dǎo)體量子工程于一體,在降低閾值電流密度的同時(shí)將功率提高了三個(gè)量級(jí)20?？梢灶A(yù)見(jiàn)量子級(jí)聯(lián)激光材料及器件研究有望成為發(fā)展中遠(yuǎn)紅外有效光源的強(qiáng)有力手段和新技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)。 盡管量子級(jí)聯(lián)激光器具有鮮明的物理圖象,但其商用前景目前還不容樂(lè)觀。其罕見(jiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和浩繁的生長(zhǎng)層次是對(duì)分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)極限的挑戰(zhàn);其輻射效率目前還在-3-4 10-10范圍,其較大的閾值電流密度還影響著實(shí)用化進(jìn)程,其致命的弱點(diǎn)是散熱性能較差,因此該類激光器向微型化發(fā)展其前景看好。 最近,楊瑞青(R.Q.Yang)等人報(bào)導(dǎo)了InAs/GaInSb/AlSb的II型子帶間級(jí)聯(lián)激光器的研制成功。這種I

45、I型結(jié)構(gòu)有著低閾值(聲子散射消除,俄歇過(guò)程被抑制等),高工作溫度,高量子效率和高輸出功率以及寬的波長(zhǎng)范圍等優(yōu)點(diǎn),但由于銻化物材料制備技術(shù)還不成熟,II型子帶間級(jí)聯(lián)激光器的實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走。 4.3.2量子點(diǎn)激光器 應(yīng)用應(yīng)變自組裝技術(shù)已制備出量子點(diǎn)激光器,波長(zhǎng)覆蓋了近紅外和紅光波段。1992年Ueno等報(bào)導(dǎo)了單層InGaAs/AlGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了室溫激射,閾值電流密度(Jth)為 950A/cm2;1996年Alferov等研制成功有源區(qū)為三層結(jié)構(gòu)(垂 2 直耦合)的量子點(diǎn)激光器,Jth為680A/cm;同年Ledentsov等21又報(bào)導(dǎo)了10層垂直耦合InGaAs/GaAs量子

46、點(diǎn)結(jié)構(gòu)激光器,室溫Jth為90A/cm2;1997年Ustinov等又報(bào)導(dǎo)了Jth低達(dá)60A/cm2的量子點(diǎn)激光,其結(jié)果已接近當(dāng)前最好的量子阱激光器的性能。Saito等還報(bào)導(dǎo)了10周期(In0./GaAs)以5Ga0.5As QD為有源區(qū)的面發(fā)射量子點(diǎn)激光器,室溫,連續(xù)工作,=0.9m,Jth=5KA/cm2。最近S.Fafar又研制成功InAlAs/GaAlAs量子點(diǎn)紅光激光器原型器件,有源區(qū)為4.5MLIn0.64Al0.36As的QD,兩邊各為16nm的Al0.K,25Ga0.75As壘層。器件在77 2 脈沖工作,=707nm,Jth=700A/cm。1997年Shernyakov等人

47、。在技術(shù)物理快報(bào)上發(fā)表文章稱,他們已研制成功室溫1W連續(xù)輸出大功率的量子點(diǎn)激光器。最近,我們實(shí)驗(yàn)室也研制成功了室溫1W,CW工作的大功率(960nm)量子點(diǎn)激 22 光器和可見(jiàn)光量子點(diǎn)激光材料。研制高品質(zhì)的量子點(diǎn)激光器的困難是量子點(diǎn)尺寸的離散和密度的控制。 4.3.3納米電子器件23,24 目前,已試制多種基于量子效應(yīng)的原型器件如:AlGaAs/GaAs電子波導(dǎo)器件,平面雙柵量子線晶體管,單電子旋轉(zhuǎn)門(mén)和室溫工作的單電子MOS存貯器等。單電子晶體管存貯器(是由一個(gè)窄溝道MOSFET和嵌在控制柵和溝道之間的納米尺度(77nm)多晶硅(量子)點(diǎn)浮柵構(gòu)成。溝道寬度(10nm)小于單電子的德拜屏蔽長(zhǎng)度。

48、如此窄的溝道,則可保證只要浮柵上存貯一個(gè)電子,便可足以屏蔽整個(gè)構(gòu)道,而不受來(lái)自加在控制柵上電勢(shì)影響,小的浮柵(77nm)則能顯 e2 著增加電子受限量子能級(jí)間的間距和庫(kù)侖充電能U,導(dǎo) 2C 致閾值電壓的量子化(Vn=55mV),控制柵(充電)電壓與閾值電壓變化呈階梯(4V)關(guān)系和閾值電壓改變不受充電時(shí)間影響。 室溫工作的單電子晶體管開(kāi)關(guān)也已研制成功。它是用SIMOX材料制成,溝道寬度為16nm,QDs小于這個(gè)尺度。 世界科技研究與發(fā)展 院士論壇 1998年Yano等25采用0.25m技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128MbSEM原型機(jī)制造。每個(gè)元胞尺寸僅為0.145m2/b,非常接近4GbDRAM有效元胞尺寸。這

49、無(wú)疑是單電子器件在超高密度存儲(chǔ)電路應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵的一步。 4.4固態(tài)量子器件存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)4.4.1存在的主要問(wèn)題幾個(gè)重要材料體系(GaAs和InP基III-V超晶格量子阱)的微結(jié)構(gòu)材料(2D)的MBE,MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)已發(fā)展得比較成熟,并已有商品出售。這些材料廣泛地用來(lái)制備新一代微電子和光電子器件如HEMTs,HBTs和QWLDs等并得到了實(shí)際應(yīng)用。若與微細(xì)加工工藝相結(jié)合,分立的單電子器件(SETs和SEMs)制作也已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn),但我們感興趣的不是孤立器件而是它們的大規(guī)模集成(109-1010/cm2)。我們知道固態(tài)量子器件(1D和0D)工作的必要條件是電子的平均自由程要大于或等

50、于器件尺寸,按照目前工藝水平,只能實(shí)現(xiàn)0.1m線寬制作,器件則要求工作在液氦溫度(4.2K);若希望能在77K工作,器件尺寸(對(duì)GaAs,InP基III-V族材料)要在50nm以下,且載流子的有效質(zhì)量m還要小;因 78-2-1 而發(fā)展納米級(jí)空間分辨、快速(1010象素cmSec)和無(wú)損的加工工藝和相應(yīng)的裝置(如SPM+MEMS等)是實(shí)現(xiàn)納米制造首先要解決的難題之一。第二個(gè)困難來(lái)自對(duì)材料的苛刻要求,GaAs,InP等III-V族化合物半導(dǎo)體材料及其微結(jié)構(gòu),雖有很高的電子遷移率和較小的有效質(zhì)量,但它的完整性、純度,特別是高的表面態(tài)密度和沒(méi)有良好的介質(zhì)隔離材料,因而不是理想的制作納米電子學(xué)器件的材料

51、。硅單晶具有高完整性和高純以及天然SiO2介質(zhì)膜的優(yōu)勢(shì),但SiO2為非晶,它的無(wú)序分布和雜質(zhì)會(huì)對(duì)納米量子器件、量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重影響;硅基半導(dǎo)體材料如GeSi/Si材料,有可能兼?zhèn)涔韬偷徒缑鎽B(tài)的優(yōu)點(diǎn),如能解決良好的介質(zhì)隔離問(wèn)題,有希望作為納米電子器件的首選材料體系之一。 利用應(yīng)變自組裝(SK生長(zhǎng)模式)技術(shù)制備量子點(diǎn)的最大問(wèn)題是如何提高量子點(diǎn)形狀、尺寸和分布的均勻性以及量子點(diǎn)的面密度和體密度。采用不同取向和圖形化襯底以及對(duì)生長(zhǎng)工藝進(jìn)行優(yōu)化,可在一定程度上改善量子點(diǎn)的均勻性和密度,但尚未獲得理想的結(jié)果。 作為分子電子學(xué)器件的有機(jī)分子和大分子材料雖有許多優(yōu)點(diǎn)如易得、廉價(jià)、易于加工、力學(xué)性質(zhì)好,結(jié)構(gòu)多

52、樣、功能易調(diào)節(jié)、快速和易在真正的納米尺寸組裝實(shí)現(xiàn)納米(分子)電子器件和電路制造等,但還存在著效率低、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。顯然,有機(jī)材料的實(shí)用化,特別是在分子電子學(xué)器件和電路方面的應(yīng)用,還必需從基礎(chǔ)研究著手,弄清有機(jī)半導(dǎo)體的能態(tài)結(jié)構(gòu),發(fā)展能態(tài)理論,了解在外場(chǎng)作用下的行為和界面結(jié)構(gòu)與分子自組裝機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法等,才有希望取得突破性進(jìn)展。 4.4.2發(fā)展趨勢(shì) 實(shí)用化的低維量子器件首先可能在光電子器件方面出現(xiàn)突破如:量子點(diǎn)激光器和量子點(diǎn)紅外探測(cè)器等,進(jìn)而是基于單電子器件的高密度存儲(chǔ)芯片。因?yàn)榕c現(xiàn)有的硅存儲(chǔ)器 102 相比有著明顯的低功耗,超高存儲(chǔ)密度(>10/cm)等優(yōu)勢(shì)。如:以硅16MBitDRA

53、M為例,存儲(chǔ)單元電容為35fF,在1V偏置下,存儲(chǔ)電子約20萬(wàn)個(gè),功耗正比于存儲(chǔ)電子數(shù)目,對(duì)16MBit,功耗為幾百毫瓦。若采用同樣的技術(shù)制造1TBit芯片,其功耗是不可接受的!因而,發(fā)展高密度單電子存儲(chǔ)芯片勢(shì)在必行。目前,這方面的研究已取得了很大的進(jìn)展。22卷1期量子干涉器件,在目前的工藝技術(shù)條件下,實(shí)現(xiàn)室溫工 作是不現(xiàn)實(shí)的,量子干涉器件和分子電子學(xué)器件真正的實(shí)用化,還有較長(zhǎng)的路要走。 5結(jié)語(yǔ) 基于低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)量子器件,目前雖然仍處在預(yù)研階段,但極其重要,極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命,因而應(yīng)當(dāng)引起我們的充分重視。固態(tài)量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)

54、步,而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。目前,我國(guó)任何一個(gè)單位都不具備能同時(shí)生長(zhǎng)和制備低維材料和器件的能力,因而決不能重復(fù)以往的老路,把本來(lái)就不多的經(jīng)費(fèi)又分散使用,造成誰(shuí)也上不去的局面。為此,建議由科技部牽頭會(huì)同其它單位(基金委、科學(xué)院和國(guó)防科工委等)就主攻方向進(jìn)行論證和選點(diǎn),撥出專款引進(jìn)必要的先進(jìn)設(shè)備,建設(shè)我國(guó)自己的信息納米科學(xué)與技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心。重點(diǎn)支持低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料制備、性質(zhì)和納米電子器件及其系統(tǒng)集成研究,納米尺度制造技術(shù)和化學(xué)合成分子自組裝技術(shù)研究(著重研究開(kāi)發(fā)可用于納米與分子器件及電路制造的實(shí)用化技術(shù)),納米尺度分辨的快速、無(wú)損自動(dòng)檢測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)等研究課題

55、。爭(zhēng)取在下世紀(jì)初在該領(lǐng)域的研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列,為發(fā)展我國(guó)自己的納米電子學(xué)和納米光電子學(xué)打下基礎(chǔ)。這不僅可使我國(guó)在一個(gè)高起點(diǎn)上參與國(guó)際竟?fàn)?取得有利地位,而且更重要的將使我國(guó)在未來(lái)的高速計(jì)算、大容量信息存貯與處理、全球通信、電子對(duì)抗、空間防御以及武器裝備走向微型化,材料智能化等方面走在世界前列,從而極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。 感謝國(guó)家自然科學(xué)基金的資助(69736010)。對(duì)王玲等在編排、打印這篇論文時(shí)付出的勞動(dòng)以及劉峰奇、龔謙和林世鳴等提供的資料也表示感謝。 參考文獻(xiàn) 1J.R.Arther.J.Appl.Physics,1968,39:40322A.Y.ChaoandJ.R.Authur.Progr.SolidState.Chem.,1975,10: 1573W.T.Tswang,Semicondu