CN100580957C - 亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管及工作条件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体量子点亚稳态共振隧穿二极管结构及工作条件。该结构包括：衬底，在衬底上依次排列生长集电极、第二隧道势垒层、与发射极集电极间耦合的量子点、第一隧道势垒层和发射极。工作条件包括工作温度，工作偏压，量子点亚稳态的获得。它可以消除量子点邻近子能级对亚稳能态单电子隧穿的影响，达到提高二极管工作温度的目的。

Description

亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管及工作条件

技术领域

本发明涉及半导体单电子器件，特别是指一种利用量子点亚稳态实现单电子共振隧穿的二极管结构设计及工作条件。

背景技术

半导体双势垒共振隧穿二极管(DB-RTD是利用束缚能态实现量子隧穿输运的一种电子学器件；当受双势垒束缚的体系具有零维类原子能级特征时，由于每一个分立能态只能同时容纳一个电子，因此电子通过这些类原子能级体系的共振隧穿过程成为单电子隧穿过程。单电子隧穿构成了电子器件的一个极限情形，它在单个能态水平上实现对电流的控制，因而在当前一些前沿技术领域具有重要应用，例如高灵敏的电位计、高量子效率的光探测器等，也是下一代量子信息技术的可能基元。

虽然单电子器件可以由碳纳米管、有机大分子等材料体系构建，但单电子隧穿过程的最佳应用体系无疑是半导体材料，这既是出于和现有半导体工艺相兼容的集成化需要，也有利于实现光子-电子间的耦合调控。目前，半导体单电子器件的主要应用障碍在于它的工作温度。如图1所示，传统的经过稳态量子化能级的单电子隧穿机制中，工作温度取决于相邻分立子能级之间的能量差和库仑阻塞能(零维体系具有很小的电容，同时容纳两个或更多净电荷时，库仑作用引起体系能量的增加，库仑能的存在和子能级差一样，阻塞了多电子同时隧穿的发生)。当温度引起的热涨落接近库仑能与子能级间距之和(也称电荷注入能)时，单电子隧穿特征受热扰动的影响(或称为热涂抹效应)不复存在；而要在半导体零维体系即量子点中获得远大于室温热涨落(KT_300K～25.9meV)的电荷注入能，其空间尺度在3个维度上都必须在10纳米左右甚至更小，这给半导体工艺技术提出了极高的要求；因此当前主要的半导体单电子隧穿器件都只能在低温下工作，从而限制了单电子器件的广泛应用。

发明内容

基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种工作温度高于传统双势垒共振单电子隧穿二极管的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管结构，及在该结构中实现空穴占据半导体量子点价带能级形成的亚稳态实现单电子共振隧穿的工作条件。

本发明的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，包括：衬底，在衬底上依次排列生长集电极、第二隧道势垒层、与发射极集电极间耦合的量子点、第一隧道势垒层和发射极。其特征在于：

所述的集电极是掺杂成n型的半导体层，厚度为100～1000nm，形成了集电极的导带底高于量子点的价带顶0.1～0.3eV，其材料为GaAs，InP或InAs。

所述的第二隧道势垒层是未掺杂半导体层，厚度为0.5～10nm，形成了势垒层的导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层的价带高于集电极材料的价带并低于量子点的价带顶或者与之平齐，其材料为AlGaAs，AlSb。

所述的量子点是在第一、第二隧道势垒层之间自组织生长的半导体量子点，材料为InGaAs，GaSb，尺寸小于50nm。

所说的半导体量子点至少为一个。

所述的量子点亚稳态是在n型集电极和发射极的背景中，量子点处于空穴占据状态，单个量子点中的空穴数为1或多于1。

所述的第一隧道势垒层为未掺杂的半导体层、绝缘氧化物层或氮化硅层；形成了导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层价带高于发射极材料的价带并低于量子点的价带顶，所述的未掺杂的半导体层为AlGaAs或AlSb；绝缘氧化物层为氧化硅或量子点层表面自然氧化获得。

第一隧道势垒层的厚度小于第二隧道势垒层的厚度。

所述发射极是金属层或掺杂成n型的半导体层，形成了发射极的费米面位置高于量子点的价带顶0.1～0.3eV。金属层为Cu，Au材料，厚度大于30nm；所述的掺杂成n型的半导体层为GaAs，InP或InAs材料，厚度为100～1000nm。

亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管的工作条件：

1)工作温度

为消除热扰动对二极管隧穿机能的影响，器件工作温度T应根据具体材料体系的能带隙E_g和电容值C判决，温度限的判决条件是：温度引起的热涨落需小于单电荷e注入量子点产生的库仑能U或者量子点的带隙，k为波尔磁曼长数：

  kT＜U，U＝e²/C。

或kT＜E_g

2)工作偏压

工作偏压的选取需使得量子点的空穴占据态低于发射极的费米面并高于集电极的导带低，具体偏压值由第一、第二势垒层的宽度和高度决定。

3)量子点亚稳态的获得

量子点亚稳态是通过量子点的空穴占据态获得的，空穴占据态使用光激发产生，按激发波长的选取，分为两种量子点空穴占据方式：一种是光子直接激发量子点产生电子-空穴对，激发光子能量hv需要大于量子点带隙E_g；另一种是激发光子能量hv大于集电极材料的带隙，光生空穴主要产生在集电区，经扩散或漂移进入量子点。

本发明的二极管的工作原理：

见图3(b)，在上述工作条件下，使得发射极费米面、集电极导带和量子点的空穴占据能级三者之间的排列处于共振隧穿状态，发射极电子可以通过量子点价带的空穴态共振隧穿至集电极导带能级。量子点的其它价带能级被电子填充，根据费米载流子的泡利法则，不能参与隧穿过程；同时由于能带隙的存在，量子点导带的子能级不能在kT＜＜E_g的工作温度下通过热辅助作用参与共振隧穿，这样双势垒共振隧穿只发生在一个或少数空穴占据态，通过控制空穴在量子点中的占据情况可以实现亚稳态的单电子隧穿效应。

亚稳态量子点隧穿二极管的工作状态由偏压调节。在发射极和集电极间偏压的作用下，量子点的能级相对电极区的能带和费米能级位置发生移动。当能级相对位置偏离共振隧穿状态，即量子点价带空穴态能级低于集电极导带底或高于发射极费米面时，作为隧穿通道的量子点价带能级关闭，器件中只有暗电流。当偏压设置满足器件共振隧穿工作条件的要求，即量子点的空穴占据态处于图3(b)所示的相对能级状态时，空穴态作为隧穿通道打开，发射极电子以器件固有的特征频率共振隧穿经过量子点到达集电极，回路中产生相应的共振隧穿电流，电流幅度仅取决于器件的单电子隧穿频率，不受偏压、器件尺寸等条件影响。这样通过偏压调节量子点双势垒二极管的能级相对位置，实现了器件单电子隧穿工作状态的切换。

本发明提供的共振隧穿二极管有如下优点和积极效果：

1.较高的工作温度：目前所有利用自组织生长量子点稳态能级实现单电子共振隧穿效应工作温度主要取决于量子点的子能级间距，所以都必须工作在接近液氮(77K)甚至更低的温度。本发明利用亚稳态实现了量子点中单电子隧穿效应，工作温度受限于量子点的能带隙，目前绝大多数的量子点能带隙是子能级带隙的5倍以上，因而本发明的设计方案可以极大的提高量子点共振隧穿二极管的工作温度，从而显著拓展单电子隧穿二极管器件的应用。

2.较宽的应用范围：自组织量子点是最易制备且晶体质量极好的半导体零维结构，本发明的二极管结构简单，而且可应用在多数自组织量子点上。同时亚稳态的引入也为对单电子过程的调控提供了途径，可以实现一些新的技术应用，例如单光子探测。

附图说明

图1为传统半导体单电子隧穿二极管结构的能级示意图，(a)零偏压条件；(b)正偏压条件，其中垂直方向是能量坐标，水平方向为对应二极管剖面位置的空间坐标。

图2为本发明的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管的结构示意图。

图3为本发明的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管结构的能级示意图，(a)零偏压条件；(b)正偏压条件。

图4(a)为实施例InAs/n-GaAs量子点共振隧穿二极管的结构示意图；(b)为能级示意图。

图5为InAs/n-GaAa亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管的电流-偏压工作曲线。

图中标示：

1为发射极；2为第一隧道势垒层；3为半导体量子点；

4为第二隧道势垒层；5为集电极；6为衬底；

E_f为费米能级；E_g为量子点的能带隙；Δ量子点平均子能级间距；

CB为半导体材料的导带；VB半导体材料的价带。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例提供一种室温工作的InAs/GaAs表面量子点双势垒二极管原型结构及其制备方法。在此方法中，首先在GaAs衬底6上形成n型GaAs集电极层5接着在集电极层上形成本征GaAs第二隧穿层4。其后，在GaAs第二隧穿层上形成InAs量子点层3。然后，在InAs量子点表面形成氧化第一隧穿层2。最后，以导电扫描探针作为金属发射极1。

所述的n型GaAs集电极层厚度为1000nm，n型Si掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3；

所述的本征GaAs第二隧穿层厚度为小于4个原子层；

所述的InAs量子点尺寸基底直径为15～50nm，高度2～12nm；

所述的氧化第一隧穿层是通过InAs表面自然氧化获得；

所述的导电扫描探针为金属或有金属涂层的扫描探针，针尖曲率半径10～50nm。见图4(a)。

参照附图具体描述本发明提出的InAs/GaAs量子点双势垒二极管原型结构的制备方法和工作途径。

其中，InAs/GaAs的量子点材料生长步骤如下：

首先，在GaAs衬底上610℃生长n型掺杂GaAs层，厚度1000纳米，n型杂质为Si，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3，该掺杂层构成二极管的集电极层；

然后，在610℃生长本征GaAs隔离层，厚度4个原子层，该隔离层一方面在n-GaAs表面势作用下作为第二隧道势垒层的一部分，另一方面作为产生空穴的吸收光层；

最后，在520℃生长InAs量子点，沉积厚度约2.4个原子层。

在n型GaAs接近表面处，耗尽区形成类三角形的势垒，构成了二极管的第二隧道势垒层；并且由于GaAs价带在近表面向上弯曲，便于集电极一侧的光生空穴进入量子点。

二极管结构的第一隧道势垒层由InAs表面的自然氧化层构成，势垒高度接近真空势垒，宽度约0.5nm。

使用导电纳米针尖形成量子点共振隧穿二极管结构的金属发射极(含上电极)，利用扫描探针显微方法控制金属针尖或含金属涂层的导电针尖定位在一个InAs量子点上构成发射极(含上电极)。二极管的下电极用常规半导体工艺在生长的量子点材料上局部刻蚀至n型GaAs层后制成(图中未画)。

参考图4(b)，这样，通过上述步骤，InAs量子点的一侧通过表面势垒和掺杂集电极耦合，另一侧通过氧化势垒层和金属发射极形成耦合；金属针尖、InAs量子点和n型GaAs构成了量子点双势垒二极管原型结构。

根据以上二极管具体结构确定共振隧穿工作条件：

结电阻：主要由双势垒层决定的二极管原型结构的电阻大于1GΩ，满足量子化输运的条件。

工作温度：InAs/GaAs量子点的带隙大于600meV，因此原型器件可以在室温(300K)工作。

量子点亚稳态的获得：使用波长小于876nm的激发光入射量子点及其周围区域形成量子点的空穴占据亚稳态，空穴态既可以在量子点中直接激发产生，也可以由GaAs层中受激产生的空穴注入量子点形成。

根据测试，二极管的正反向击穿偏压分别是-1.8伏和2.1伏；在击穿偏压范围内进行电流-偏压特性的测试，结果如图5所示。

在偏压由负值向正值递变的过程中，电流-偏压曲线出现一个台阶结构，电流台阶的高度在二极管击穿前随偏压变化不明显，对应于InAs量子点价带空穴能态参与共振隧穿，成为单电子输运的通道，单电子隧穿电流为44.5皮安。改变激发光强度时电流台阶高度随之单调变化，进一步验证了亚稳态(空穴态)辅助隧穿的方案设计。

根据电流-偏压曲线确定制备的InAs/GaAs量子点亚稳态单电子隧穿二极管的工作偏压范围为0.65至1.60伏。

Claims (3)

1.一种亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，包括：衬底(6)，在衬底上依次排列生长集电极(5)、第二隧道势垒层(4)、与发射极集电极间耦合的量子点(3)、第一隧道势垒层(2)和发射极(1)，其特征在于：

所述的集电极是掺杂成n型的半导体层，厚度为100～1000nm，形成了集电极的导带底高于量子点的价带顶0.1～0.3eV，其材料为GaAs，InP或InAs；

所述的第二隧道势垒层(4)是未掺杂半导体层，厚度为0.5～10nm，形成了势垒层的导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层的价带高于集电极材料的价带并低于量子点的价带顶或者与之平齐，其材料为AlGaAs、AlSb；

所述的量子点(3)是在第一、第二隧道势垒层之间自组织生长的半导体量子点层，材料为InGaAs，GaSb，尺寸小于50nm；

所述的第一隧道势垒层为未掺杂的半导体层、绝缘氧化物层或氮化硅层；形成了导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层价带高于发射极材料的价带并低于量子点的价带顶；其中所述未掺杂的半导体层为AlGaAs或AlSb；绝缘氧化物层为氧化硅或量子点层表面自然氧化获得；

第一隧道势垒层的厚度小于第二隧道势垒层的厚度；

所述发射极是金属层或掺杂成n型的半导体层，形成了发射极的费米面高于量子点的价带顶0.1～0.3eV；金属层为Cu，Au材料，厚度大于30nm；其中所述掺杂成n型的半导体层为GaAs，InP或InAs材料，厚度为100～1000nm。

2.根据权利要求1的一种亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，其特征在于所说的量子点至少为一个。

3.根据权利要求1所述的一种亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，其特征在于工作条件为：

A.工作温度

为消除热扰动对二极管隧穿机能的影响，器件工作温度T应根据具体材料体系的能带隙E_g和电容值C判决，温度限的判决条件是：温度引起的热涨落需小于单电荷e注入量子点产生的库仑能U或者量子点的带隙E_g，k为波尔磁曼长数，

kT＜U，U＝e²/C

              ；

或kT＜E_g

B.工作偏压

工作偏压的选取需使得量子点的空穴占据态低于发射极的费米面并高于集电极的导带低，具体偏压值由第一、第二势垒层的宽度和高度决定；

C.量子点亚稳态的获得

量子点亚稳态是通过量子点的空穴占据态获得的，空穴占据态使用光激发产生，按激发波长的选取，分为两种量子点空穴占据方式：一种是光子直接激发量子点产生电子-空穴对，激发光子能量hv需要大于量子点带隙E_g；另一种是激发光子能量hv大于集电极材料的带隙，光生空穴主要产生在集电区，经扩散或漂移进入量子点。

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