低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国

1、-低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国 院士论坛 低维半导体结构材料及其器件应用研究进展 中国科学院院士王占国 (中国科学院半导体研究所,北京100083) 摘要:人们预测,到2010年,以硅材料为核心的当代微电子技术的CMOS逻辑电路图形尺寸将达 到0.05微米或更小。到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应(如:量子尺寸效应、量子隧穿、量子相干、库

2、仑阻塞和非线性光学效应等)的固态纳米电子、光电子器件与电路和基于单分子及大分子结构所特有性质的分子电子学受到了广泛的重视。它们的研究与发展极有可能触发新的革命,应当给于充分的重视。本文第一部分将简单介绍低维半导体结构材料的定义、性质及其在未来信息技术中的地位;第二、三部分分别讨论低维半导体结构的制备方法与评价技术;第四部分对近年来低维半导体结构材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展、存在的问题和发展的趋势作扼要的综述;最后,结合国情和我国在该领域的研究现状,提出发展我国低维半导体结构材料及其器件应用的构想。关键词:低维半导体结构量子器件 工程实施)新型半导体材料,具有与体材料截 然不同的性

3、质。随着材料维度的降低和结构特征尺寸的减小(100nm),量子尺寸效应,量子干涉效应,量子隧穿效应,库仑阻塞效应以及多体关联和非线性光学效应都会表现得越来越明显,这将从更深的层次揭示出低维材料所特有的新现象、新效应。MBE、MOCVD技术,超微细原子加工和电子束光刻技术等的发展为实现低维材料生长,量子器件(量子干涉晶体管,量子线场效应晶体管,单电子晶体管和单电子存储器以及量子点激光器,微腔激光器等)的研制创造了条件。这类量子器件以其固有的超高速(10121013sec)、超高频(> 102 1000GHz)、高集成度(>10元器件/cm)、高效低功耗和极低阈值电流密度(亚微安)、极

4、高量子效率、高的调制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的纳米电子学、光子学和光电集成以及ULSI等方面有着极其重要应用前景,极有 1引言 低维半导体材料通常是指除三维体材料外的二维、一维和零维材料;二维超晶格、量子阱材料,是指载流子在二个方向(如在x,y平面内)上可以自由运动,而在另外一个方向(z)则受到约束,即材料在这个方向的尺寸与电子 或电子的平的德布洛意波长(/2mE)d=h 均自由程(L2DEG=相比拟或更小。 q 一维量子线材料,是指载流子仅在一个方向可以自由运动,而在另外两个方向则受到约束; 零维量子点材料,是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的材料系统,即电子在三个维度上

5、的能量都是量子化的。本文主要讨论一维量子线和零维量子点微结构材料。 低维半导体微结构材料是一种人工可改性的(通过能带 国家自然科学基金资助项目(No.69736010)。 王占国(WANGZhanguo,1938.12.29-),男,河南省镇平县人,中国科学院院士,半导体材料物理学家。1962年毕业于天津南开大学物理系。现任中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家高技术新材料领域专家委员会委员,功能材料专家组组长。王占国院士是我国半导体材料科学学术带头人之一。他长期从事半导体材料及材料物理研究,在半导体深能级物理、光谱物理和低维半导体材料生长及性质研究中,取得了多项国际先进水平的成果,十

6、多年来,在国内外学术刊物和国际会议发表论文170多篇。研究成果曾获中国科学院科技进步一、二、三等奖和国家科技进步三等奖以及国家七五,八五重点科技攻关奖多项。 22卷1期1 院士论坛 决定的。一般来说,为了得到较好质量的外延层,生长条件要选在生长速度的扩散控制区进行,也就是说外延生长是在准热力学平衡条件下进行的。 MOCVD的主要优点是适合于生长各种单质和化合物薄膜材料,特别是蒸气压高的磷化物,高Tc超导氧化物及金属薄膜等;另外,MOCVD用于生长化合物的各组分和掺杂剂都是气态源,便于精确控制及换源无需将系统暴露大气;加之生长速率远较MBE大以及单温区外延生长,需要控制的参数少等特点,使MOCV

7、D技术有利于大面积、多片的工业规模生产;目前工业生产型( 315, 45等)MOCVD设备已研制成功,并投入生产。MOCVD技术的弱点除MO源和氢化物毒性大、化学污染需倍加防范外,较高的生长温度会使材料纯度和界面质量与MBE相比要差。 6,7 类似的技术还有化学束外延(CBE),金属有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束外延(GSMBE)。这二者与CBE不同,都使用部分固态源,前者是用族金属有机化合物(如:TMGa,TMIn等)取代族元素Ga,In等作源材料,后者则是用族氢化物取代固态族元素P,As等作为源材料。对-族等其它材料体系的命名也类似。 2.2超晶格、量子阱材料生长和精细加

8、工相结合的制备技术 利用MBE或MOCVE等技术首先生长超晶格、量子阱器件结构材料如:AlGaAs/GaAs2DEG材料等,进而结合高空间分辨电子束曝光直写,湿法或干法刻蚀和微细离子束注入隔离制备量子线和量子点。利用这种办法,原则上,可产生最小特征宽度为10nm的结构,并已制成具有二维和三维约束效应的量子线、量子点及其阵列。表一给出了目前微细加工国内外所达到的水平。 上述方法的优点是图形的几何形状和密度(在分辨率范围内)可控;其缺点是图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响)不高(几十nm),横向尺寸远比纵向尺寸大;边墙(辐射,刻蚀)损伤,缺陷引入和杂质沾污使器件性能变差以及曝光时间过长等。 2

9、.3应变自组装量子点结构生长技术 外延生长过程中,根据晶格失配和表面、界面能不同,存在着三种生长模式8:a.晶格匹配体系的二维层状(平面)生长的Frank-VanderMerwe模式;b.大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长模式,即Volmer-Weber模式;c.大晶格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到岛状生长的Stranski-Krastanow(SK)模式。 应变自组装量子点结构材料的制备是利用SK生长模式,他主要用于描述具有较大晶格失配,而界面能较小的异质结构材料生长行为。SK模式生长的初始阶段是二维平面生长,通常只有几个原子层厚,称之为浸润层(Wettinglayer)

10、。随着浸润层厚度增加,应变能不断积累,当浸润层厚度达到某一个临界厚度tc时,外延生长过程则由二维平面生长向三维岛状生长过渡(实验上,可由RHEED花样由条状向点状变化控制)。三维岛状生长初期,形成的纳米量级尺寸小岛周围是无位错的。若用禁带宽度较大的材料将其包围起来,小岛中的载流子将受到三维限制。小岛的直径一般为几十nm,高约几个nm,通常称作为量子点。 三维岛状生长的tc由异质外延材料晶格失配度和生长条件(如,衬底温度,V/III比等)决定。控制失配层生长厚度和优化生长条件可制备出量子点尺寸和分布均匀(10%), 世界科技研究与发展 可能触发新的技术革命,成为下世纪信息技术的支柱。美、 日、西

11、欧等工业发达国家先后集中人力和物力建立了10多个这样的研究中心或实验基地,加紧研究开发步伐,力图在21世纪初能在这一新兴的高科技领域占主导地位。 2低维半导体结构的制备技术 低维半导体结构材料的发展很大程度上是依赖材料先进生长技术(MBE,MOCVE等)和精细加工工艺(聚焦电子、离子束和X-射线、光刻技术等)的进步。本节将首先介绍MBE和MOCVD技术,进而介绍如何将上述两种技术结合起来实现量子线和量子点结构材料的制备,第三,对近年来得到迅速发展的应变自组装制备量子点和量子点阵列方法进行较详细讨论,最后对其它制备技术也将加以简单介绍。 2.1MBE和MOCVD生长技术2.1.1分子束外延(MB

12、E)技术1-3 MBE技术实际上是超高真空条件下,对分子或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技术。通常认为MBE材料生长机理与建立在热力学平衡条件下的LPE和VPE不同,即是说分子(原子)束在衬底表面上发生的过程是受动力学支配的。研究表明:MBE生长过程实际上是一个具有热力学和动力学同时并存、相互关联系统;只有在由分子束源产生的分子(原子)束不受碰撞地直接喷射到受热的洁净衬底表面,在表面上迁移、吸附或通过反射或脱附过程离开表面,而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平衡区,使晶体生长过程接近于热力学平衡条件,即使每一个结合到晶格中的原子都能选择到一个自由能最低格点位置,才能生长出高质量的M

13、BE材料。 MBE与其它传统生长技术(LPE,VPE等)相比有许多优点。如在系统中配置必要的仪器便可对外延生长的表面、生长机理、外延层结晶学质量以及电学性质进行原位检测和评估;它的生长速率慢和喷射源束流的精确控制有利于获得超薄层和单原子层界面突变的异质结构;通过对合金组份和杂质浓度的控制,实现对其能带结构和光电性质的“人工剪裁”,从而制备出各种复杂势能轮廓和杂质分布的超薄层微结构材料。 MBE还有利于同其它微细加工技术如:超微细离子注入技术,扫描隧道电镜(STM)技术,电子束曝光技术和反应离子刻蚀及其图形化生长技术相结合,以期实现近年来很受重视的量子线、量子点材料的制备。 2.1.2金属有机化

14、合物化学汽相淀积(MOCVD)技4,5术 MOCVD或MOVPE是和MBE同时发展起来的另一种先进的外延生长技术。MOCVD是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热的衬底上,通过热分解反应而最终在其上生长出外延层的技术。它的生长过程涉及气相和固体表面反应动力学、流体动力学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程。MOCVD是在常压或低压(Torr量级)下生长的,氢气携带的金属有机物源(如族)在扩散通过衬底表面的停滞气体层时会部分或全部分解成族原子,在衬底表面运动迁移到合适的晶格位置,并捕获在衬底表面已热解了的族原子,从而形成-族化合物或合金。在通常温度下,MOCVD

15、生长速率主要是由族金属有机分子通过(边界层)停滞层的扩散速率来 院士论坛 密度为108-1012cm-2和无缺陷的量子点材料。这种方法的优点是可将QDs的横向尺寸缩小到几十纳米以内,可做到无损伤,缺点是量子线和量子点的几何形状,尺寸均匀性和密度难以控制。 表1国内外细微加工水平 方法光学光刻技术X光光刻技术 国外0.25已用于VLSI最小线宽80nm,接触爆光可达10nm。 国内0.8-1m已用于ULSI 最好为:0.150.3m - 电子束光刻技束斑min1nm,采 术(EBL)用PMMA胶已实现 8nm图形制备。聚焦离子束束斑可达10nm,可FIB)实现12nm图形制备 (一般为100nm

16、)。无损伤纳米加单原子层刻蚀技术, 工技术STM单原子操作加 工技术。分辨率:横向0.1nm,纵向0.01nm。 最佳分辨率为 30nm,可实现0.06-0.1m图形制备。 已开展STM单原子操作与加工技术研究。 2.4低维半导体结构材料的其它制备技术除上述的方法外,其它的制备技术主要有:在图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技术如:a.利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技术;b.解理面再生长技术;c.高指数面生长技术;d.小角度倾斜晶面生长短周期超晶格材料技术;e.在其他图形化衬底上的生长技术等。 此外,单原子操纵和加工技术也受到重视。目前,利用STM技术,不仅可以在电场蒸发作用下从硅

17、表面上移走单个Si原子,将它放置在表面任何位置,也可将这个Si原子放入表面的单原子缺陷中去,从而实现原子修饰等功能9。单原子操纵和加工技术虽已显示出诱人的前景,但距实验化还有很长的路要走。如:用场发射STM技术,1s写一个量子点(600ns写,400ns移动脉冲),需4个月才能完成1TBit记忆芯片(106106)制备,很显然,这是没有实用价值的!最近,已将STM和MEMS结合起来形成了多元阵列,是这种技术向实用化迈出的重要一步。 STM实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针尖在样品表面(X、Y)和垂直于表面的Z方向作三维运动,从而实现对样品表面形貌的测量。STM的工作模式可分恒高度和恒电流二种

18、模式。恒高度模式是保持针尖与样品表面距离(最大)一定,事实上当针尖在样品表面扫描时,针尖与样品表面的间距将随样品表面起浮而改变,记录隧道电流随X和Y位置的变化轨迹,便可直接获得样品表面形貌。恒电流模式是在扫描过程中,利用反馈电路在Z方向上控制针尖与样品间距,从反馈电压随X和Y位置变化获得样品表面形貌。前者和后者分别适用于对平坦表面和起伏较大表面的测量。应当指出,STM图象所反映的不是精确的样品表面原子的实际位置,而是原子实际位置与表面电子局域态密度的综合结果。 AFM测量针尖与样品表面之间的力。将一个对微弱敏感的悬臂一端固定,另一端有一微小针尖,针尖与表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原

19、子间存在极微弱的排斥力(10-810-6N),通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法,可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而可以获得样品表面形貌的信息。 3.2HRTEM技术 高分辨透射电镜技术,特别是高分辨截面像技术,不仅可用来对纳米尺度的材料结构进行分析,而且还能提供多层结构,特别是界面原子排列,缺陷行为的重要信息。 3.3高空间分辨阴极荧光(EL)和SEM技术 在低温和高真空条件下,利用聚焦电子束作激发源,对单个或几个量子点的发光行为进行实验研究已有报导,例如,用3KV电压,

20、电流为60PA的电子束作激发源(高对称的横向分辨约50nm的束斑),成功地对InAs量子点的发光进行了实验研究,直接证实了量子点的-函数的电子态密度12。但电子束的辐照效应和注入载流子的扩散致使对实验结果的分析带来不确定性。采用掩膜技术也可对单个量子点的发光行为进行实验研究。 3.4近场高空间分辨PL技术 近场PL技术是一个正在发展中的技术,它不受常规光 学显微镜受光衍射极限(最小光束直径的限制,通过光 2 纤有可能实现具有纳米量级的光束直径光源。利用这种光源结合高灵敏的光探测器可实现对单个量子点光学性质进行研究。 3低维半导体材料的评价技术 随着材料尺寸减小到纳米量级范围时,现有的基于反映体

21、材料的宏观平均性质的实验技术都不再适用,需要发展新的纳米尺度的测试分析技术。下面作简要地介绍。 3.1STM和AFM原位检测技术10,11 扫描探针显微术是利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子结构的,STM和AFM就是最近研制成功的这种技术。 STM的工作原理是基于量子隧道效应。在金属针尖与金属或半导体样品间加一偏置电压,且当针尖与样品间距小于1nm时,电子将穿透针尖与样品表面间的势垒而产生隧道电流。由于隧道电流与针尖和样品表面间距呈指数依赖关系,故隧道电流对样品表面起伏非常敏感。22卷1期4低维固态量子器件研制进展和发展趋势 人们预测到2010年硅FETs的栅

22、长可达到50nm或许更 小,这很可能是一个临界尺寸。这时不仅要遇到:a.高电场下硅和二氧化硅的雪崩击穿;b.高集成度时的热耗散问题;c.体性质消失和掺杂不均匀带来的问题;d.电子隧穿出现以及薄氧化层的不平坦以及互联延迟等难以克服的困难;而且,随集成度提高,价格迅速下降的规律也将不能保持;再者,开发小于100nm工艺技术所耗资金,也恐难以承受。因而,基于低维半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视,并在纳米电子、光电子器件研制方面取得很大进展。 4.1典型固态量子器件的工作原理简介13 低维量子器件可简单的分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米电子器件包括:共振隧穿器件(RTDs),量子点 3

23、院士论坛 (E-E)-f(E)dE M是价带与导带之间的跃迁矩阵元,E),E-E)e(v(是导带和价带电子和空穴的态密度,f(E)是态的占有几率。态密度对的贡献主要来自Efn),Efp),特别是受激发e(v(射更是如此。因此(hw)Efn)Efp);fn和fp在体材料c(v( 中接近带边Ee和Ev,在低维材料中,接近第一个子能级。显然,一维材料的态密度在开始阶段最大(理想情况下是无穷大),而零维材料的态密度理想情况下是-函数。从理论上看,量子线,特别是量子点激光器将有更低的阈值,更高的微分增益和更窄的光谱带宽以及最高的特征工作温度。 计算表明,量子阱激光器阈值电流可低达0.1mA(已基本实现)

24、,而量子线激光器阈值电流Arakawa等预言可低达2A。对于零维系统,Miyamoto14等曾计算了GaInAsP/InP量子点激光器的阈值电流,计算考虑了量子点的尺寸涨落,阈 2 值电流密度可低达14A/cm。但由于制作工艺的困难,目前量子线和量子点激光器的阈值电流密度离理论预言的结果尚有较大的距离。 15 4.2分子电子学(MolecularElectronics) 分子电子学主要是应用与衬底电绝缘的共价键分子结构组装来实现的。它们不同于基于体效应像半导体器件那样的有机晶体管和有机物构成的器件。它的优点是容易制成完全相同的结构,因为大量的孤立分子,天然纳米尺度结构是完全相同的,与硅等相比,

25、在设计和制造纳米器件时有更多的可选择性。 分子电子学目前与固体纳米电子学比,仍处在探索研究阶段。但它已稳步地取得进展,并在价廉和真正的纳米尺寸上的集成方面有明显优势。分子电子学目前研究的主要内容有:分子线结构,量子效应分子RTD结构和工作机制,以及电机械分子电子学器件等。组装主要利用STM、AFM和MEMS(微电子机械体系包括AFM和STM的列阵)等技术来实现。 4.3低维固态量子器件研制进展4.3.1超晶格、量子阱器件高电子迁移率晶体管(HEMTs),异质结双极晶体管(HBTs),超高亮度(红光、黄光和橙光等)发光管LEDs和量子阱激光器(QWLD)等已实用化;垂直面发射激光器,红外探测器,

26、GaN基兰、录光LEDs和QWLDs也已研制成功,这里不再赘述。这里只介绍最近发展起来的微腔和量子级联激光器。 (1)微腔激光器和光子晶体16-18光学微腔(OpticalMicrocavity)是指具有高品质因子而尺寸与谐振光波长()相比拟的光学微型谐振器。随着MBE、MOCVD材料生长技术和现代微细加工技术发展,设计、制造有实用价值的光学微腔已成为可能,并在低(无)阈值激光器研制方面取得了很大进展。 大家知道,当光腔尺度与光波长可比拟时,腔内真空场 3 的光学模式数则大大减小(1个光学模式占有相当于2n 大小体积,n为介质有效折射率)。在理想情况下,若用一个边长为半波长,周界为全反射壁的立

27、方微腔,有可能将一个单模光场分离出来,这为实现低(无)阈值激光器的研制提供了科学依据。 在激光器理论中,自发发射耦合系数定义为自发发射耦合到单一激射模式的能量与自发发射总能量之比。常规 5 的激光器的(在10-410-之间,效率低,阈值高。微腔激光器的值可接近1;在值接近1,品质因子很高的微腔中,自发发射的光子被保留在腔内,使自发发射成为可逆的过程, 世界科技研究与发展 器件(QDs)和单电子器件:单电子晶体管(SETs)和单电子存储器(SEMs)等。纳米光电子器件,则着重介绍基于应变自组装的量子点激光器。 4.1.1纳米电子器件 当电子被受限于两个空间相距很近的势垒之间的岛区时,所遇到的两个

28、基本的量子力学效应是:a.电子在势阱中能量量子化,形成分立的量子态,设量子化分立能级的能量差为;b.势垒越薄(510nm),占据低于势垒高度能态的电子有一定的隧穿进入岛区或离开岛区的几率,但这种情况仅当另一侧存在具有相同能量的空态时方能实现。显然,能量的量子化和隧穿强烈地影响着通过量子点的电流。 共振隧穿二极管(RTDs)的结构是由宽禁带半导体材料(如AlAs)垒区和长而窄(5-10nm)的窄禁带半导体材料(如GaAs)的“量子线”岛区和带有金属接触电极的GaAs源与漏区组成,满足>>U要求。其工作原理是:在零偏或一个小偏置电压加在器件两端时,势垒将阻止源区的电子通过岛区(电流为零

29、);当偏置电压增加到使阱中一个未占据态的能量处于源区导带占据态的能量范围内时,器件则处于共振态或开态,电流通过岛区并流出漏区。否则器件将处于非共振态或关态。RTTs与RTDs不同,它是一个三端器件,由栅电压控制开关和放大作用的,工作原理与RTD类似。 RTDs,RTTs可有多重开启态,这同势阱内中量子化能态相关。若大于源区导带边同Ef之能量差,即势阱中的不同能级将依次(在栅压作用下)同源区导带电子占据态共振,形成多重开关态,这是与通常的MOSFETs不同之处。 QDs,RTDs和单电子晶体管SETs之间的差别在于:小岛的电子能态不同。首先,小岛沿X,Y和Z方向的尺寸可能不同,故电子量子化分立能

30、级沿不同方向也是不同的,即x,进而,事实上,当一个额外的附加电子如第y和z不同;(N+1)个电子进入并不是处于空态的小岛时,它必需克服原有岛上的N个电子的静电排斥能。这个能量称作U。显然,总能量差,即岛上N个电子最低能态与第(N+1)个电子的最低量子能态之差,是U+。U和相对大小依赖于岛的形 1 状和尺寸,Rmin为岛的最小尺寸;另一方面,U也 Rmin 1 随岛的尺寸减小而增加,但服从U关系。Reff是岛的有 Reff 效半径,等效于岛的最长边,换句话说U随岛上移动电子对间平均距离<r>的减小而增大。若岛的一个方向较长,那么电子将沿该方向分布开来,使U变小;相反,若岛只要有一个方

31、向很小,那么就会很大。因为U和的相对大小控制着器件的行为,岛的形状又强烈地影响着U和的相对大小,因而岛的形状是区分上述三种纳米器件的基础。综上所述, a.RTDs是由包含大量电子的窄(5-10nm)而长的半导体“量子线”岛组成,它满足>>U关系。 b.零维QDs的三个方向都很小,可由金属和半导体材组成。x,y,z都大,充电能U也很大。IvsV曲线满足:U; c.SETs和SEMs服从:U>>关系。单电子器件的工作原理是基于库仑阻塞效应。 4.1.2量子点激光器 大家知道半导体材料的带间跃迁产生的光学吸收或光增益可写成: e2h2 (E)=)E-E) M(E,E-E) f

32、e(v(20m0CnEg 院士论坛 从而有可能实现无粒子数反转的激射。当=1时,功率-电流曲线不再有表示阈值的拐点,这就是所谓的无阈值激光器。一般与腔的大小,形状和腔壁特性有关,因此,优化腔结构设计对提高值有着重要意义。 目前,已在实验上实现了多种微腔结构如法布里-泊里微腔(Fabry-Perotcavity)回音壁(WhisperingGalleryMode)和光子晶体缺陷模微腔等。1992年美国AT&TBell实验室研制成功InGaAs/InGaAsP半导体多量子阱微盘激光器。微腔结构是用MOCVD技术生长,HCl溶液选择腐蚀制成。具体结构是:上盘是制作在P型InGaAsP材料上直

33、径为4.5m的电极上,下盘是微腔激光器结构,由直径5m,厚0.3m的4个(10nm)InGaAs阱和5个InGaAsP垒层组成。上、下盘的支撑分别由直径1m的P和N型InP材料构成,下电极为n型InP衬底。室温(300K)脉冲激射(电流脉冲宽为0.3m,占空因子为300:1),激射波长为1.58m,阈值电流为0.9mA。 近年来,人们又提出了光子晶体的概念,并用类似于固体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播,光子晶体具有光带隙(禁带),相应带隙能量的光波在光子晶体中传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏,那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模,光子态密度随光子晶体维度降低而

34、量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔,从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。 用来制备微腔激光器的材料可以是无机的玻璃微珠,半导体及其微结构材料,也可以是有机染料液滴,有机或聚合物材料。最近,美国加州大学,普林斯顿大学,英国的剑桥大学以及IBM公司相继实现了有机或聚合物微腔结构的光泵受激发射,引起了人们的注意。 微腔激光器,特别是垂直腔面发射微腔激光器具有尺寸小,动态单纵模、窄光束、垂直于衬底出光和便于集成等优点,因而除在传统激光器的各个应用方面外,特别在光信息处理、光互连、光计算和光神经网络等领域有着十分重要的应用前景。 (2)量子级联红外激光材料和激光

35、器 传统半导体激光器均是基于正向偏置PN结导带和价带之间的辐射复合,因而带隙决定了工作波长。基于III-V族材料激光器的发射波长都不超过4m,再长波长只能采用IV-IV族的铅盐系及II-VI族的汞硫系等所谓窄带隙材料了。但窄带隙材料制备技术尚不成熟。 量子级联激光器19是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源。激射方案是利用垂直于纳米级厚度半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态,在这些激发态之间产生粒子数反转。它的有源区由多级串接组成,每一级由注入区、耦合阱激光跃迁区和弛豫区三部分构成,而每一级的弛豫区又是下一级的注入区。图1是正向偏压下一个周期的导带示意图,注入/弛豫区设计成梯

36、度带隙超晶格结构。注入区的作用是从有源区的一侧注入电子,而弛豫区从另一侧收集电子并在电子注入到下一级有源区之前使其充分弛豫降低能量,以避免因电子速度过高(较宽的速度分布函数)而引起的隧穿效率降低。在阈值电压下,有源区的两个低能态子带(n=0和n=1)间距等于光学声子能量,这两个子带间的散射时间很小(5ps),导致n=1态210.的寿命很短;另一方面,子带2与子带1之间的间距较大,与大的动量转移相关的光学声子发射使得子带2与子带1之间的散射时间相当长(2ps),导致n=2态的寿命较长(>3222卷1期1.3ps),满足粒子数反转条件。梯度带隙超晶格结构弛豫/注 入区设计成n=2态电子波的B

37、ragg反射器而具有抑制电子从耦合阱的n=2激发态的逃逸和促使电子从耦合阱的低能态(n=0)顺序隧穿抽运的双重作用。当注入能量对应于n=2态时,要求弛豫区的每一对阱垒满足Bragg反射条件,形成n=2态电子波的增反膜。从n=0态抽运出来的电子进入梯度带隙超晶格结构区迅速弛豫其动量和能量。实质上,梯度带隙弛豫区的电子能谱类似于常规的超晶格的能谱。它有一个面对有源区低能态的微带而促使激光跃迁基态的电子有效的逃逸;另外,它有一个面对有源区高能态的微带隙而有效地阻止电子从高能态的逃逸 。 图1正向偏压下(70kV/cm)InGaAs/InAlAs量子级联激光器一 个周期(耦合量子阱有源区和梯度带隙超晶

38、格结构弛豫/注入区)的导带示意图。虚线是梯度带隙超晶格结构弛豫/注入区有效带底,标有“miniband”的区域表示一簇间距很近的能态的能量范围,这种超晶格又设计成一个微带隙(“mini-gap”)阻止电子从n=2能态的逃逸,波浪线代表激光跃迁,图中还显示出相关波函数的模平方,一个周期的In0./53Ga0.47As In0.nm为单位)自左至右从注入势垒52Al0.48As结构层的次序(开始:(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),为了

39、减小因注入而产生的空间电荷效应,其中12至18层(带下划 1线区)n型掺杂至31017cm-。 激光器结构是利用分子束外延技术在InP衬底生长晶格 匹配的In0./In0.53Ga0.47As52Al0.48As异质结材料系统。它的有源区由25级以上交替生长的耦合阱激光跃迁区和梯度带隙超晶格结构弛豫/注入区构成。其它各层(光波导包层,图2(a)的限制使有源区的辐射沿着平行于层的方向传播。子带间跃迁的选则定则使模式的极化方向垂直于薄层。这种单模波导的限制因子=0.53,折射率n=3.26。该类激光器的增益过程由自然解理面构成的Fabry-Perot腔实现,这与量子阱激光器的增益原理是一样的。 激

40、光器样管采用光刻和化学腐蚀技术制成具有脊型波导条形结构、条宽812m的条形器件。等离子沉积SixNy绝缘层后,在脊区的顶部开出窗口,再由电子束蒸发钛和金作为欧姆电极。样片减薄至200m,再淀积锗、金和银作为背面欧姆接触电极。器件被解理成2mm长,解理面为激光器的腔面,腔面不镀膜。 量子级联激光器的特点:(1)工作波长与所用材料的带隙无直接关系,仅由耦合量子阱子带间距决定,目前已成功地工作在一个很宽的波长(3.413m)和温度范围(10K320K);(2)这种单极粒子跃迁辐射具有单向偏振(TM波)性,极适合于“回音壁模式”微腔激光器的制作;(3)这些跃迁态之间的联合态密度类似于函数,对应的增益谱

41、很窄,对称和具有较小的温度敏感系数;另外子带间俄歇复合可以忽 5 院士论坛 量子级联激光器在中远红外夜视、中远红外光学雷达、红外通信、大气污染监测、工业烟尘分析、化学过程监控等方面有着广泛的应用。 略,因而量子级联激光器具有较大的特征温度(300K时的特征温度为T0=172K,而铅盐及III-V族锑化物激光器的T0值在20-45K范围),极有利于器件的室温工作。 InGaAsn=110cm 20 -3 10nm 18 InAlAs/InGaAsgraded带隙由大到小n=71030nmInAlAsn=7101200nmInAlAsn=31017700nmInAlAsn=21017600nm I

42、nGaAs/InAlAsgraded带隙由小到大n=2101730nmInGaAsn=11017300nm25级有源区1253nmInGaAsn=11017300nm InAlAs/InGaAsgraded带隙由大到小n=2101725nmInPn=11018 (b) (a ) 18 图2(a)由分子束外延生长的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子级联激光器全器件结构的横断面图。整个结构有500多层,图中层厚以nm为单位。(b)脊型波导量子级联激光器横断面图,点划线的圆圈代表最大模式强度区域。 AT&TBell实验室94年首先实现InP衬底上InGaAs/In

43、-AlAs量子级联激光器的低温脉冲激射,随后器件性能逐年提 高并在该领域一直领先。波长约5m的器件连续工作温度已达110K,77K的单腔面连续功率为200mW,脉冲条件下的最高工作温度为320K,室温峰值功率为200mW;波长约8m的器件在30K和80K的单腔面连续功率分别为510mW和200mW,100K的脉冲峰值功率为1.3W。由于该激光器的结构十分复杂、技术难度大,目前仅有美国的Bell实验室和西北大学在正式刊物上报道研制成功量子级联激光器的消息。98年6月,Bell实验室联合耶鲁大学和德国的Max-Plank研究所共同研制成功远场方向性极好、高功率、具有混沌谐振腔的量子级联微柱激光器,

44、这种微型激光器集谐振光学、混沌理论和半导体量子工程于一体,在降低阈值电流密度的同时将功率提高了三个量级20。可以预见量子级联激光材料及器件研究有望成为发展中远红外有效光源的强有力手段和新技术生长点。 尽管量子级联激光器具有鲜明的物理图象,但其商用前景目前还不容乐观。其罕见的复杂结构和浩繁的生长层次是对分子束外延生长技术极限的挑战;其辐射效率目前还在-3-4 10-10范围,其较大的阈值电流密度还影响着实用化进程,其致命的弱点是散热性能较差,因此该类激光器向微型化发展其前景看好。 最近,杨瑞青(R.Q.Yang)等人报导了InAs/GaInSb/AlSb的II型子带间级联激光器的研制成功。这种I

45、I型结构有着低阈值(声子散射消除,俄歇过程被抑制等),高工作温度,高量子效率和高输出功率以及宽的波长范围等优点,但由于锑化物材料制备技术还不成熟,II型子带间级联激光器的实用化还有很长的路要走。 4.3.2量子点激光器 应用应变自组装技术已制备出量子点激光器,波长覆盖了近红外和红光波段。1992年Ueno等报导了单层InGaAs/AlGaAs量子点结构,实现了室温激射,阈值电流密度(Jth)为 950A/cm2;1996年Alferov等研制成功有源区为三层结构(垂 2 直耦合)的量子点激光器,Jth为680A/cm;同年Ledentsov等21又报导了10层垂直耦合InGaAs/GaAs量子

46、点结构激光器,室温Jth为90A/cm2;1997年Ustinov等又报导了Jth低达60A/cm2的量子点激光,其结果已接近当前最好的量子阱激光器的性能。Saito等还报导了10周期(In0./GaAs)以5Ga0.5As QD为有源区的面发射量子点激光器,室温,连续工作,=0.9m,Jth=5KA/cm2。最近S.Fafar又研制成功InAlAs/GaAlAs量子点红光激光器原型器件,有源区为4.5MLIn0.64Al0.36As的QD,两边各为16nm的Al0.K,25Ga0.75As垒层。器件在77 2 脉冲工作,=707nm,Jth=700A/cm。1997年Shernyakov等人

47、。在技术物理快报上发表文章称,他们已研制成功室温1W连续输出大功率的量子点激光器。最近,我们实验室也研制成功了室温1W,CW工作的大功率(960nm)量子点激 22 光器和可见光量子点激光材料。研制高品质的量子点激光器的困难是量子点尺寸的离散和密度的控制。 4.3.3纳米电子器件23,24 目前,已试制多种基于量子效应的原型器件如:AlGaAs/GaAs电子波导器件,平面双栅量子线晶体管,单电子旋转门和室温工作的单电子MOS存贮器等。单电子晶体管存贮器(是由一个窄沟道MOSFET和嵌在控制栅和沟道之间的纳米尺度(77nm)多晶硅(量子)点浮栅构成。沟道宽度(10nm)小于单电子的德拜屏蔽长度。

48、如此窄的沟道,则可保证只要浮栅上存贮一个电子,便可足以屏蔽整个构道,而不受来自加在控制栅上电势影响,小的浮栅(77nm)则能显 e2 著增加电子受限量子能级间的间距和库仑充电能U,导 2C 致阈值电压的量子化(Vn=55mV),控制栅(充电)电压与阈值电压变化呈阶梯(4V)关系和阈值电压改变不受充电时间影响。 室温工作的单电子晶体管开关也已研制成功。它是用SIMOX材料制成,沟道宽度为16nm,QDs小于这个尺度。 世界科技研究与发展 院士论坛 1998年Yano等25采用0.25m技术实现了128MbSEM原型机制造。每个元胞尺寸仅为0.145m2/b,非常接近4GbDRAM有效元胞尺寸。这

49、无疑是单电子器件在超高密度存储电路应用方面迈出的关键的一步。 4.4固态量子器件存在问题和发展趋势4.4.1存在的主要问题几个重要材料体系(GaAs和InP基III-V超晶格量子阱)的微结构材料(2D)的MBE,MOCVD生长技术已发展得比较成熟,并已有商品出售。这些材料广泛地用来制备新一代微电子和光电子器件如HEMTs,HBTs和QWLDs等并得到了实际应用。若与微细加工工艺相结合,分立的单电子器件(SETs和SEMs)制作也已在实验室实现,但我们感兴趣的不是孤立器件而是它们的大规模集成(109-1010/cm2)。我们知道固态量子器件(1D和0D)工作的必要条件是电子的平均自由程要大于或等

50、于器件尺寸,按照目前工艺水平,只能实现0.1m线宽制作,器件则要求工作在液氦温度(4.2K);若希望能在77K工作,器件尺寸(对GaAs,InP基III-V族材料)要在50nm以下,且载流子的有效质量m还要小;因 78-2-1 而发展纳米级空间分辨、快速(1010象素cmSec)和无损的加工工艺和相应的装置(如SPM+MEMS等)是实现纳米制造首先要解决的难题之一。第二个困难来自对材料的苛刻要求,GaAs,InP等III-V族化合物半导体材料及其微结构,虽有很高的电子迁移率和较小的有效质量,但它的完整性、纯度,特别是高的表面态密度和没有良好的介质隔离材料,因而不是理想的制作纳米电子学器件的材料

51、。硅单晶具有高完整性和高纯以及天然SiO2介质膜的优势,但SiO2为非晶,它的无序分布和杂质会对纳米量子器件、量子计算机带来严重影响;硅基半导体材料如GeSi/Si材料,有可能兼备硅和低界面态的优点,如能解决良好的介质隔离问题,有希望作为纳米电子器件的首选材料体系之一。 利用应变自组装(SK生长模式)技术制备量子点的最大问题是如何提高量子点形状、尺寸和分布的均匀性以及量子点的面密度和体密度。采用不同取向和图形化衬底以及对生长工艺进行优化,可在一定程度上改善量子点的均匀性和密度,但尚未获得理想的结果。 作为分子电子学器件的有机分子和大分子材料虽有许多优点如易得、廉价、易于加工、力学性质好,结构多

52、样、功能易调节、快速和易在真正的纳米尺寸组装实现纳米(分子)电子器件和电路制造等,但还存在着效率低、稳定性较差等缺点。显然,有机材料的实用化,特别是在分子电子学器件和电路方面的应用,还必需从基础研究着手,弄清有机半导体的能态结构,发展能态理论,了解在外场作用下的行为和界面结构与分子自组装机理和实现方法等,才有希望取得突破性进展。 4.4.2发展趋势 实用化的低维量子器件首先可能在光电子器件方面出现突破如:量子点激光器和量子点红外探测器等,进而是基于单电子器件的高密度存储芯片。因为与现有的硅存储器 102 相比有着明显的低功耗,超高存储密度(>10/cm)等优势。如:以硅16MBitDRA

53、M为例,存储单元电容为35fF,在1V偏置下,存储电子约20万个,功耗正比于存储电子数目,对16MBit,功耗为几百毫瓦。若采用同样的技术制造1TBit芯片,其功耗是不可接受的!因而,发展高密度单电子存储芯片势在必行。目前,这方面的研究已取得了很大的进展。22卷1期量子干涉器件,在目前的工艺技术条件下,实现室温工 作是不现实的,量子干涉器件和分子电子学器件真正的实用化,还有较长的路要走。 5结语 基于低维半导体结构材料的固态量子器件,目前虽然仍处在预研阶段,但极其重要,极有可能触发微电子、光电子技术新的革命,因而应当引起我们的充分重视。固态量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进

54、步,而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。目前,我国任何一个单位都不具备能同时生长和制备低维材料和器件的能力,因而决不能重复以往的老路,把本来就不多的经费又分散使用,造成谁也上不去的局面。为此,建议由科技部牵头会同其它单位(基金委、科学院和国防科工委等)就主攻方向进行论证和选点,拨出专款引进必要的先进设备,建设我国自己的信息纳米科学与技术研究开发中心。重点支持低维半导体结构材料制备、性质和纳米电子器件及其系统集成研究,纳米尺度制造技术和化学合成分子自组装技术研究(着重研究开发可用于纳米与分子器件及电路制造的实用化技术),纳米尺度分辨的快速、无损自动检测和评价技术等研究课题

55、。争取在下世纪初在该领域的研究进入世界先进行列,为发展我国自己的纳米电子学和纳米光电子学打下基础。这不仅可使我国在一个高起点上参与国际竟争,取得有利地位,而且更重要的将使我国在未来的高速计算、大容量信息存贮与处理、全球通信、电子对抗、空间防御以及武器装备走向微型化,材料智能化等方面走在世界前列,从而极大地增强我国的经济和国防实力。 感谢国家自然科学基金的资助(69736010)。对王玲等在编排、打印这篇论文时付出的劳动以及刘峰奇、龚谦和林世鸣等提供的资料也表示感谢。 参考文献 1J.R.Arther.J.Appl.Physics,1968,39:40322A.Y.ChaoandJ.R.Authur.Progr.SolidState.Chem.,1975,10: 1573W.T.Tswang,Semicondu