零维电子器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及零维电子器件及其制造方法。一种半导体器件，包括基底和量子点，其中，当在4开尔文的温度下测量所述半导体器件时，量子点的峰值发射的半高宽(FWHM)小于20毫电子伏特。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 相关申请的夺叉引用 本申请要求2014年5月26日递交的美国临时申请No. 62/002,997的权益。
本专利技术总体涉及。本专利技术还涉及高度均匀量子点及在 半导体器件上生长量子点的方法。
技术介绍
量子点（QD)是非常细小的物质，小到使得高度凝聚于单一的点（S卩，零维）。因 此，量子点中的带电粒子（电子和空穴）被捕获或限制且它们的能级根据量子理论被完整 的定义。通常，量子点是纳米级的晶体，由数十个、数百个或数千个原子组成。量子点由半 导体、例如硅来制成。此外，虽然量子点是晶体，但其特性更接近于单独的原子。 可以精确地控制量子点以使其在现实世界中具有广泛的应用。一般意义上来说， 如果原子被提供能量，它可以被激发（即，其中的电子被推进到高能级）。当位于高能级的 电子回到低能级时，原子会发射出光，当中光子的能量等于原子原始吸收的能量。原子发射 出光的颜色（即，波长和频率）取决于原子内部能级的排列方式。一般说来，不同的原子能 够发射出不同颜色的光。这是因为原子内部的能级有设定的值（即，它们被量化）。 若是量子点完全一样，则它们有完全相同的量化的能级。然而，利用相同材料制作 的量子点根据量子点的大小会产生不同颜色的光。小的量子点具有较大的带隙，粗略地讲， 带隙是通过一种材料使自由电子带电所需要的最小能量，因此需要较多的能量来激发小的 量子点。由于发射出的光的频率与能量成正比，所以具有较高能量的较小的量子点产生较 高的频率和较短的波长，较大的量子点具有更大间距的能级并因此产生较低的频率和较长 的波长。 因此，最大的量子点产生最长的波长（和最低的频率），而最小的量子点产生最短 的波长（和最高的频率）。这通常意味着大的量子点产生红光而小的量子点产生蓝光，而中 等尺寸的量子点产生绿光（和其他颜色的光）。 近期，自组装的量子点的制造已经被广泛的研究，原因在于量子点有非常大的潜 力运用在尖端的光电子器件当中，例如激光、太阳能电池和发光二极管。严格意义上，量子 点的光电特性跟它本身的物理特性有关，例如尺寸、组成、张力、和形状，这些物理特性决定 电子和空穴限制潜力。因此，用于制造有源量子纳米结构的生长机制变得非常重要。 在各种生长技术中，最普遍的方法是岛状与层状混合（Stranski-Krastanov，SK) 生长模式。SK生长模式基于自组装机制，且通常用于晶格失配系统，例如InAs(砷化铟）/ GaAs(砷化镓）系统。在SK生长中，半导体薄膜生长于半导体基底上，从而产生两种材料 的界面处的晶格失配。在外延生长过程中，中间层失配张力被部分释放，于是形成三维结 构。然而，量子点的形态和组成在沉积覆盖层过程中会有相当大的变化，这使得难以实现所 设计的特性。另外，由于不存在张力，所以这种技术不能用于晶格匹配的系统，例如GaAs/ AlGaAs(砷化铝镓）系统。 在1993年，由Koguchi和Ishige第一次提出一项用于制造无张力GaAs/AlGaAs 量子点的可替选的、有价值的技术，称为液滴外延（DropletEpitaxy，DE)生长模式。与SK 技术相比，DE技术既可以用于晶格失配系统又可以用于晶格匹配系统，因此具有较高的设 计灵活性。在制作GaAs量子点的情况下，多个金属Ga(镓）液滴首先在As4(四砷）气体 不存在时于基底上形成。随后通过暴露于四砷气体，液滴结晶以形成砷化镓量子点。为了 维持镓液滴的原始形态，通常在低温（大约300°C)下形成Ga液滴。然而，如此低的温度通 常会造成在沉积AlGaAs覆盖层的过程中晶体质量及光学质量的衰退。此外，在砷化镓材料 掺杂碳原子时，该低温环境也强烈影响砷化镓材料的形成。 已证明四砷气体的浓度和结晶温度会决定最终形态。例如，通常砷化镓量子点没 有掺杂碳原子且在结晶步骤在供应10 4~10 5托（Torr)四砷气体的情况下在低温（大约 100°C~200°C)下形成。在结晶步骤，在10 6~10 7托四砷气体下，在200°C~450°C生长温 度下，生成单量子环（QR)、双量子环或多量子环。在更高的结晶温度（T= 450°C~620°C) 下生长洞形纳米结构。 -系列过去的研究证明，实验条件能够决定最终结构。然而，仍存在一些缺陷。在 形成砷化镓量子点的情况下，为了维持镓液滴的原始形态，在低温下形成Ga液滴。这种低 温生长工艺通常会造成在沉积AlGaAs覆盖层的过程中晶体质量及光学质量的衰退。因此， 对于制造高质量的量子点，更多的研究工作仍然是有必要的。 此外，对于研究半导体纳米结构中的新的物理现象，受限电子与束缚于受体杂质 的光激发的空穴之间的再结合具有很多优点。由于受束缚的空穴的能量被非常好地限定， 因此光致发光（PL)是电子状态的能谱的直接测量方式，而且空穴的定位释放k-保护规则， 使得能够调查电子状态的总电子密度。非常成功地使用该技术探测二维（2D)电子系统的 物理现象，从而导致朗道能级（Landaulevel)、Shubnikov-deHaas振动、分数量子霍尔效 应和Wigner结晶的光学调查。然而，至今还没有涉及零维（量子点）结构的进展。 因此，需要一种由高度均匀的碳掺杂的GaAs和/或高度均匀的GaAs组成的新型 零维电子器件和制造该器件的方法。该新型零维电子器件具有广泛的应用，包括量子点激 光、太阳能电池、发光二极管、单一量子加密光源、量子比特、和量子逻辑兀件。
技术实现思路
根据本专利技术，本文公开的半导体器件包括基底和量子点，其中，当在4开尔文的温 度下测量所述半导体器件时，所述量子点的光致发光光谱的峰值发射的半高宽（FWHM)小 于20毫电子伏特。 另外，根据本专利技术，本文公开的半导体器件包括基底和量子点，其中，所述量子点 的光致发光光谱在红光区域具有超过两个峰。 另外，根据本专利技术，本文公开了在半导体器件上生长量子点的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供应周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生长温度下，在所述基 底上生长周期表第三族-第五族材料的缓冲层；（d)降低所述生长温度到大约500°C; (e) 停止供应周期表第五族材料；（f)生长周期表第三族材料液滴；(g)降低所述生长温度到小 于大约400°C; (h)生长更多的周期表第三族材料液滴；以及（i)升高所述生长温度到介于 360°C到 450°C。 另外，根据本专利技术，本文公开了在半导体器件上生长量子点的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供应周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生长温度下，在所述基 底上生长周期表第三族-第五族材料的缓冲层；（d)停止供应周期表第五族材料；(e)供应 周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生长温度到小于大约200°C;(g)停 止供应周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及（h)生长具有周期表第二族材料或周 期表第四族材料的周期表第三族材料液滴。 应该理解，上述一般性的描述和以下详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，而 不对所要求的本专利技术的保护范围构成限制。【附图说明】 被并入并构成本说明书的一部分的附图示出多个实施方式。 图1为示出示例性砷化镓量子点半导体器件的示意图； 图2A为示例性砷化镓量子点的表面形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体器件上生长量子点的方法，包括：(a)提供基底；(b)供应周期表第五族材料；(c)在大于500℃的生长温度下，在所述基底上生长周期表第三族‑第五族材料的缓冲层；(d)停止供应周期表第五族材料；(e)供应周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生长温度到小于大约200℃；(g)停止供应周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及(h)生长具有周期表第二族材料或周期表第四族材料的周期表第三族材料液滴。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张宇辰，
申请(专利权)人：张宇辰，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71