CN103219291B - 一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层和第一p掺杂层；在第一p掺杂层上生长p⁺掺杂势垒层和非掺杂势垒层，形成二维空穴气；在二维空穴气上依次生长第一非掺杂空间层、具有II类异质结构的量子点层和第二非掺杂空间层；在第二非掺杂空间层上生长第二p掺杂层；在第二p掺杂层上生长n⁺掺杂层；通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，形成空穴型量子点存储器。利用本发明，实现的存储器作为一种新型的存储器概念，具有寿命长、读写速度快、存储时间长等优势，在下一代非挥发高性能存储器的研制中具有很大潜力，有望取代目前广泛使用的动态随机存储器(DRAM)和FLASH存储器。

Description

一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法

技术领域

本发明涉及半导体存储器技术领域，尤其是一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，利用量子点所具有的独特的二类异质结构，将其应用于空穴型存储器领域，可以在读写速度、存储密度、使用寿命、功耗等方面具有优异的性能。

背景技术

当今社会处在信息时代，信息技术随时在不断发展进步，需要存取的数据量越来越大，对存储容量、读写速度、功耗、体积等要求越来越高。FLASH和DRAM这两种应用最广泛的半导体存储器越来越不能满足人们的需求。人们提出，未来的高性能存储器应该既具有FLASH长达10年的存储时间，又具有DRAM的耐用性(10¹⁵次读写循环)和高读写速度(低于1ns)，并且同时拥有高集成度和低功耗等所有优点。

量子点在空间三个维度上都具有纳米尺度，与电子的德布罗意波长相比拟，具有分立的量子化能谱，展现出许多独特的物理性质。基于量子点对电荷的三维限制能力和高速充电时间，将量子点应用于存储器中，非易失性、高速、低功耗、存储容量大、集成度高、存储时间长等潜在优势使量子点存储器在未来有可能完全取代内存、硬盘及其他可移动存储设备，满足存储应用的各方面需要。

根据量子点所存储的载流子类型，量子点存储器可以分为电子型和空穴型两种类型。电子的高迁移率可以保证ns量级以下的读写时间，但电子的隧穿几率和逃逸几率大，导致电子型存储器的室温存储时间较低。在p型掺杂区域插入量子点，以空穴为存储电荷的量子点具有低的隧穿几率和逃逸几率，量子点对空穴的限制能力更大，室温存储时间可以得到提高。因此，空穴型量子点具有更好的应用前景。

具有II类异质结构的锑化物量子点，如GaSb/GaAs对空穴具有势阱作用，对电子具有势垒作用，因此只限制空穴而屏蔽电子。这种结构价带带阶大，空穴的局域能量高；电子和空穴在空间上分离开，可避免因空穴与电子复合而导致的数据消失。因此，锑化物量子点最有希望成为空穴型量子点材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提出一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，以解决量子点存储器的结构设计和器件制作问题，实现完整功能的空穴型量子点存储器，达到提高存储时间的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，包括：

步骤1：在衬底1上依次生长缓冲层2和第一p掺杂层3；

步骤2：在第一p掺杂层3上生长p⁺掺杂势垒层4和非掺杂势垒层5，形成二维空穴气6；

步骤3：在二维空穴气6上依次生长第一非掺杂空间层7、具有二类异质结构的量子点层8和第二非掺杂空间层9；

步骤4：在第二非掺杂空间层9上生长第二p掺杂层10；

步骤5：在第二p掺杂层10上生长n⁺掺杂层11；

步骤6：通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，形成空穴型量子点存储器。

上述方案中，步骤1至步骤5中所述材料生长方法是采用分子束外延技术或金属有机物气相外延技术。

上述方案中，步骤1中所述衬底1是p⁺-GaAs(100)衬底，所述缓冲层2为p⁺-GaAs层，所述第一p掺杂层3为p-GaAs层。

上述方案中，所述缓冲层2的生长方法为：在580℃下，同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述缓冲层2的p型杂质Be的掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，生长厚度为500nm。所述第一p掺杂层3的生长方法为：在580℃下，同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述第一p掺杂层3的p型杂质Be的掺杂浓度为3.5×10¹⁶cm^-3，生长厚度为1μm。

上述方案中，步骤2中所述p⁺掺杂势垒层4为p⁺-Al_0.36Ga_0.64As，生长方法为：同时打开Ga源、As源、Al源和杂质Be源；所述p⁺掺杂势垒层4的p型杂质Be的掺杂浓度约为7.5×10¹⁸cm^-3，生长厚度为10nm。

上述方案中，步骤2中所述非掺杂势垒层5为Al_0.36Ga_0.64As，生长方法为：关闭Be源，同时打开Ga源、As源和Al源，生长厚度为8nm。

上述方案中，步骤2中所述二维空穴气6是通过调制掺杂方法产生于禁带宽度小的半导体材料层，并靠近异质结界面。

上述方案中，步骤3中所述第一非掺杂空间层7和第二非掺杂空间层7，生长厚度为25nm。

上述方案中，步骤3中所述具有II类异质结构的量子点层8为锑化物量子点，至少包括GaSb/GaAs量子点或AlSb/GaAs量子点，生长方法为：GaSb量子点生长之前关闭As源，只开启Sb源，Sb源开启时间为15秒；然后开启Ga源；GaSb量子点生长结束后关闭Ga源，保持Sb源开启1分钟。

上述方案中，步骤4中所述在第二非掺杂空间层9上生长第二p掺杂层10，包括：在460℃下生长第二p掺杂层10；所述第二p掺杂层10的生长方法与所述第一p掺杂层3的生长方法相同，生长厚度为500nm。

上述方案中，步骤5中所述在第二p掺杂层10上生长n⁺掺杂层11，包括：在460℃下生长n⁺掺杂层11；所述n⁺掺杂层11为n⁺-GaAs层，其生长方法为：同时开启Ga源、As源和杂质Si源；n型杂质Si的掺杂浓度约为1.0×10¹⁸cm^-3，生长厚度为500nm。

上述方案中，步骤6中所述通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，包括：

刻蚀栅极槽12和源、漏极隔离槽13；所述栅极槽12和源、漏极隔离槽13为湿法腐蚀方法刻蚀得到，刻蚀深度为600nm，达到第二p掺杂层10的位置；

淀积一层SiO₂钝化膜14，并刻蚀SiO₂钝化膜，开出栅极窗口15和源、漏极窗口16；所述SiO₂钝化膜14采用真空蒸发镀膜方法制备，厚度为300nm，呈现蓝色表面；所述栅极窗口15暴露出p-GaAs层10；所述源、漏极窗口16暴露出n⁺-GaAs层11；

淀积钛金薄膜17，并腐蚀钛金薄膜，露出栅极18和源、漏极19；所述钛金薄膜17采用磁控溅射淀积钛膜100nm和金膜300nm；所述栅极18为钛金薄膜17与p-GaAs层10形成的肖特基接触；所述源、漏极19为钛金薄膜17与n⁺掺杂层11形成的欧姆接触；

在衬底背面淀积钛金薄膜20，形成背面电极20，即可形成空穴型量子点存储器；所述背面电极20为钛金薄膜17与衬底1形成的欧姆接触。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，由于采用量子点作为存储介质，读写时间只取决于载流子在进入量子点的弛豫时间，所以具有非常快的读写速度，约为纳秒以下。

2、本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，由于采用量子点作为存储单元，所以使存储器具有功耗低、集成度高的优势。

3、本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，由于采用II型量子点，大大降低了电子与空穴的复合几率，所以避免了存储数据由于电子空穴复合而引起的数据丢失。

4、本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，由于采用II型量子点，只存储空穴载流子，所以基于空穴有效质量大，逃逸几率低的特点，使存储时间高于电子型量子点存储器。

5、本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，由于淀积金属层同时形成欧姆接触与肖特基接触，使工艺过程得到了简化。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：

图1是本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法流程图；

图2是依照本发明制备的基于量子点的空穴型存储器的结构示意图；

图3至图5是本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器工艺流程俯视图；

图6是本发明提供的基于量子点的空穴型存储器器件结构剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1至图6，本发明介绍一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，利用分子束外延技术生长材料，包括如下步骤：

步骤1：580℃下在衬底1上依次生长缓冲层2和p-GaAs层3；所述衬底1为p⁺-GaAs(100)衬底；所述缓冲层2为p⁺-GaAs层，生长方法为：同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述缓冲层2的p型杂质Be的掺杂浓度约为2×10¹⁸cm^-3，生长厚度为500nm；所述p-GaAs层3的生长方法为：同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述p-GaAs层3的p型杂质Be的掺杂浓度约为3.5×10¹⁶cm^-3，生长厚度为1μm；

步骤2：580℃下生长掺杂势垒层4和非掺杂势垒层5，形成二维空穴气6；所述掺杂势垒层4为p⁺-Al_0.36Ga_0.64，生长方法为：同时打开Ga源、As源、Al源和杂质Be源；所述掺杂势垒层4的p型杂质Be的掺杂浓度约为7.5×10¹⁸cm^-3，生长厚度为10nm；所述非掺杂势垒层5为Al_0.36Ga_0.64As，生长方法为：关闭Be源，同时打开Ga源、As源和Al源，生长厚度为8nm；

步骤3：460℃下生长一层非掺杂空间层7，一层GaSb量子点层8和一层非掺杂空间层9；所述非掺杂空间层7为GaAs，生长厚度为25nm；所述GaSb量子点层8的生长方法为：GaSb量子点生长之前关闭As源，只开启Sb源，Sb源开启时间为15秒；然后开启Ga源；GaSb量子点生长结束后关闭Ga源，保持Sb源开启1分钟；非掺杂空间层9与所述非掺杂空间层7相同；

步骤4：460℃下生长p-GaAs层10；所述p-GaAs层10的生长方法与p-GaAs层3的生长方法相同，生长厚度为500nm；

步骤5：460℃下生长n⁺-GaAs层11；所述n⁺-GaAs层11的生长方法为：同时开启Ga源、As源和杂质Si源；n型杂质Si的掺杂浓度约为1.0×10¹⁸cm^-3，生长厚度为500nm；

步骤6：通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，包括：

A.刻蚀栅极槽12和源、漏极隔离槽13；所述栅极槽12和源、漏极隔离槽13为湿法腐蚀方法刻蚀得到，刻蚀深度为600nm，达到p-GaAs层10的位置；

B.淀积一层SiO₂钝化膜14，并刻蚀SiO₂钝化膜，开出栅极窗口15和源、漏极窗口16；所述SiO₂钝化膜14采用真空蒸发镀膜方法制备，厚度为300nm，呈现蓝色表面；所述栅极窗口15暴露出p-GaAs层10；所述源、漏极窗口16暴露出n⁺-GaAs层11；

C.淀积钛金薄膜17，并腐蚀钛金薄膜，露出栅极18和源、漏极19；所述钛金薄膜17采用磁控溅射淀积钛膜100nm和金膜300nm；所述栅极18为钛金薄膜17与p-GaAs层10形成的肖特基接触；所述源、漏极19为钛金薄膜17与n⁺-GaAs层11形成的欧姆接触；

D.在衬底背面淀积钛金薄膜20，形成背面电极20，即可形成空穴型量子点存储器；所述钛金薄膜20制备方法同钛金薄膜17；所述背面电极20为钛金薄膜20与衬底1形成的欧姆接触。

本发明提供的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，利用n⁺-p结构，在p区靠近耗尽层位置制备一层具有二类异质结构的量子点，该量子点只存储空穴而屏蔽电子，因此可以作为空穴型存储器的数据存储单元；量子点下方具有一层势垒层，可提高量子点的热激活能，增加数据存储时间；利用调制掺杂技术，在量子点和势垒之间形成一层二维空穴气(2DHG)，作为数据读取端口之间的导电沟道。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，包括：

步骤1：在衬底(1)上依次生长缓冲层(2)和第一p掺杂层(3)；

步骤2：在第一p掺杂层(3)上生长p⁺掺杂势垒层(4)和非掺杂势垒层(5)，形成二维空穴气(6)；

步骤3：在二维空穴气(6)上依次生长第一非掺杂空间层(7)、具有二类异质结构的量子点层(8)和第二非掺杂空间层(9)；

步骤4：在第二非掺杂空间层(9)上生长第二p掺杂层(10)；

步骤5：在第二p掺杂层(10)上生长n⁺掺杂层(11)；

步骤6：通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，形成空穴型量子点存储器。

2.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤1至步骤5所述生长是采用分子束外延技术或金属有机物气相外延技术。

3.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤1中所述衬底(1)是p⁺-GaAs(100)衬底，所述缓冲层(2)为p⁺-GaAs层，所述第一p掺杂层(3)为p-GaAs层。

4.根据权利要求3所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，所述缓冲层(2)的生长方法为：在580℃下，同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述缓冲层(2)的p型杂质Be的掺杂浓度为2×10¹⁸em^-3，生长厚度为500nm。

5.根据权利要求3所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，所述第一p掺杂层(3)的生长方法为：在580℃下，同时开启Ga源、As源和杂质Be源；所述第一p掺杂层(3)的p型杂质Be的掺杂浓度为3.5×10¹⁶cm^-3，生长厚度为1μm。

6.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤2中所述p⁺掺杂势垒层(4)为p⁺-Al_0.36Ga_0.64As，生长方法为：同时打开Ga源、As源、Al源和杂质Be源；所述p⁺掺杂势垒层(4)的p型杂质Be的掺杂浓度为7.5×10¹⁸cm^-3，生长厚度为10nm。

7.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤2中所述非掺杂势垒层(5)为Al_0.36Ga_0.64As，生长方法为：关闭Be源，同时打开Ga源、As源和Al源，生长厚度为8nm。

8.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤2中所述二维空穴气(6)是通过调制掺杂方法产生于禁带宽度小的半导体材料层，并靠近异质结界面。

9.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤3中所述第一非掺杂空间层(7)和第二非掺杂空间层(9)，生长厚度为25nm。

10.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤3中所述具有二类异质结构的量子点层(8)为锑化物量子点，至少包括GaSb/GaAs量子点或AlSb/GaAs量子点，生长方法为：GaSb量子点生长之前关闭As源，只开启Sb源，Sb源开启时间为15秒；然后开启Ga源；GaSb量子点生长结束后关闭Ga源，保持Sb源开启1分钟。

11.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤4中所述在第二非掺杂空间层(9)上生长第二p掺杂层(10)，包括：

在460℃下生长第二p掺杂层(10)；所述第二p掺杂层(10)的生长方法与所述第一p掺杂层(3)的生长方法相同，生长厚度为500nm。

12.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤5中所述在第二p掺杂层(10)上生长n⁺掺杂层(11)，包括：

在460℃下生长n⁺掺杂层(11)；所述n⁺掺杂层(11)为n⁺-GaAs层，其生长方法为：同时开启Ga源、As源和杂质Si源；n型杂质Si的掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，生长厚度为500nm。

13.根据权利要求1所述的制备基于量子点的空穴型存储器的方法，其特征在于，步骤6中所述通过工艺技术制造数据擦写端口和数据读取端口，包括：

刻蚀栅极槽(12)和源、漏极隔离槽(13)；所述栅极槽(12)和源、漏极隔离槽(13)为湿法腐蚀方法刻蚀得到，刻蚀深度为600nm，达到第二p掺杂层(10)的位置；

淀积一层SiO₂钝化膜(14)，并刻蚀SiO₂钝化膜，开出栅极窗口(15)和源、漏极窗口(16)；所述SiO₂钝化膜(14)采用真空蒸发镀膜方法制备，厚度为300nm，呈现蓝色表面；所述栅极窗口(15)暴露出第二p掺杂层(10)；所述源、漏极窗口(16)暴露出n⁺掺杂层(11)；

淀积钛金薄膜(17)，并腐蚀钛金薄膜，露出栅极(18)和源、漏极(19)；所述钛金薄膜(17)采用磁控溅射淀积钛膜100nm和金膜300nm；所述栅极(18)为钛金薄膜(17)与第二p掺杂层(10)形成的肖特基接触；所述源、漏极(19)为钛金薄膜(17)与n⁺掺杂层(11)形成的欧姆接触；

在衬底背面淀积钛金薄膜(17)，形成背面电极(20)，即可形成空穴型量子点存储器；所述背面电极(20)为钛金薄膜(17)与衬底(1)形成的欧姆接触。