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1、第25卷3期半导体杂志2000年9月低维半导体材料研究进展程宪章张忱(天津电子材料研究所,天津300192)摘要:综述了低维半导体材料的最新发展动态和发展趋势。关键词:低维半导体材料;量子点;量子线;量子阱中图分类号:TN304.9文献标识码:A文章编号:1005-3077(2000)-03-44-06TheResearchProgressofLowDimensionSemiconductorMaterialsCHENGXian-zhanZHANGChen(TianjinElectronicMaterialsResearchInstitute
2、,Tianjin300192)Abstract:Thelatestprogressandtrendinlowdimensionsemiconductormaterialsarereviewed.Keywords:lowdimensionsemicomdutormaterials;quantumdot;quantumwire;quantumwell引言目前人类广泛应用的功能材料和元件,其尺寸远大于电子自由程,观测的电子输运行为具有统计平均结果,描述这些性质主要是用宏观物理量,已有成熟的理论和技术。当功能材料和元件的尺寸逐渐减小到纳米量级时,其物
3、理长度与电子自由程相当,载流子的输运将呈现显著的量子力学特性,传统的理论和技术已不再适用,需要人们对与低维相关联的量子尺寸限制效应和低维材料进行深入的研究。作为零维材料的量子点材料是一种团簇,尺寸大小在纳米量级。这种零维体系的物理行为与原子相似,因而被称为“人造原子”,电子在其中的能量状态呈现类似原子的分立能级结构。量子点的显著特征是具有库仑荷电效应和库仑-5-22阻塞现象以及它的俘获截面(10～10cm)远大于一般半导体材料中的杂质缺陷的俘获截面。量子线主要呈V形、T形或斜T形。量子阱材料的特点是电子能量在二维空间是连续的,其典型代表是超晶
4、格量子阱材料。量子阱的电子态密度呈台阶形状,而量子点和量子线的电子态密度分别呈现出一系列孤立的线形状和尖峰形状,因而量子点、量子线比量子阱更容易达到激光作用所必须的粒子数反转,故更适于制作激光器,而对量子阱则需要考虑整个子带的填充。由于量子点和量子线材料比量子阱材料有更大的量子限制效应,故用量子点、量了线材料制作激光器将降低其阈值电流密度,提高直接调制速度,降低阈值电流对收稿日期:2000-08-10·44·第25卷3期半导体杂志2000年9月温度的敏感性。除此之外,量子点材料还可以用于制作单电子晶体管和光存储器等。利用量子线控制杂质散射的原
5、理,可制成量子线沟道场效应晶体管(FET),单模量子线可制作量子干涉FET和布喇格反射量子干涉FET等电子干涉效应器件。量子阱材料是目前低维半导体材料的主流,可用于制作FET、高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)和量子阱发光二极管(QWLED)、量子阱激光器等。1低维半导体材料低维半导体材料是指维数低于三维的半导体材料,其中包括量子点(QD)材料(零维材料)、量子线(QWR)材料(一维材料)和量子阱(QW)材料(二维材料)。主要半导体量子点、量子线和量子阱材料如表1所示。表1主要半导体量子点、量子线和量子阱材料族量子点材
6、料量子线材料量子阱材料ⅣSi,GeSi,碳纳米管GaAs,GaN,GaSb,GaAs,InAs,GaN,AlGaAs,GaInP,InAs,InP,InGaAs,InGaAs,AlGaAs,InGaAs,InGaAsP,Ⅲ—ⅤAlGaAs,InAlAs,(GaAs)4(AlAs)2,InGaN,GaInAsSbInGaN(GaAs)5(AlAs)5InAsP,GaInNAsZnTe,ZnSe,ZnS,Ⅱ—ⅥZnCdSe,CdMnTeCdSe,ZnO,CdTeⅣ—ⅣSiC,SiGeSiCⅣ—Ⅴα—Si3N4,β—Si3N4Ⅳ—ⅥPbSe目前,制
7、备量子点的主要方法是自组织生长方法和S—K生长模式,即利用两种材料之间的晶格失配,在外延薄膜达到某一临界厚度时,在应力的作用下以成岛(island)方式生长。制作量子线的主要方法有选择外延法、在有V形槽的衬底上外延生长法和在微倾斜的衬底上外延生长法。量子阱材料的生长方法有MBE法、MOCVD法和MOVPE法等。2量子点材料2.1Si量子点采用低温(570～610℃)的低压CVD(LPCVD)法和以SiH4为Si源,可在Si3N4、SiO2和[1]SiOxNy衬底上生长Si量子点。实验证明,SiH4的压力对Si量子点密度有很大影响,在以Si3N
8、4和SiO2作衬底时,均随SiH4的压力增加而量子点的密度增大,其密度分别为6.5×11212210/cm和2.0×10/cm。用0.1%HF腐蚀SiO2/Si或石
