一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件及其制备方法，隧穿二极管核心部分是夹在氮化物势垒的GaN或者InGaN量子点，通过聚焦激光光束的照射，可以实现定位和操纵单量子态。本发明专利技术的优点在于综合氮化物的宽禁带和量子点提供的分裂能级等特点，使得本方法十分适用于光谱范围较宽的微弱光探测。所述外延生长方法还可以通过调节InGaN中的In组分实现特定波长的光探测，而且外延结构和器件结构相对简单，条件温和，具有广泛的应用价值。

Resonant tunneling diode device based on nitride quantum point and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of tunneling diode device and method of resonant tunneling of nitride quantum dots based on tunneling diode is the core part in nitride barrier GaN or InGaN quantum dots, by focusing the laser beam irradiation, can achieve the positioning and manipulation of single quantum state. The invention has the advantages of synthesizing the wide band gap of the nitride and the splitting energy level provided by the quantum dots, so that the method is very suitable for the weak light detection of a wide spectrum range. The epitaxial growth method can also realize specific wavelength light detection by adjusting the In component in the InGaN, and the epitaxial structure and device structure are relatively simple, the condition is mild, and the utility model has extensive application value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件及其制备方法
本专利技术涉及半导体材料领域，具体涉及基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件及其制备方法。
技术介绍
共振隧穿二极管是指，在两个势垒中间夹入一个量子势阱。按照经典力学观点，势垒的能量高于运动电子能量时，电子是不可能穿过势垒的。但是按照量子力学观点，当势垒两侧运动电子运动能级与量子势阱相同时，电子有非常大的几率穿过势垒，量子势阱相当于提供一个电子运动的隧道，这就是所谓共振隧穿。目前量子共振隧穿二极管大多采用砷化物作为隧穿结，通常为AlGaAs作为势垒，InAs或InGaAs作为量子阱/量子点夹在AlGaAs势垒当中（参考文献Toshi-kazuSuzuki,etal.Jpn.J.Appl.Phys.36,1917,1997以及文献AndrewJ.ShieldsNaturephotonics6,348,2012）。AndrewJ.Shields的文章提供了一种巧妙的方法可以通过聚焦激光束照射在共振隧穿二极管上，从而实现定位和控制量子态的方法。具体来说就是，聚焦激光光束照射在量子点区域时，发生隧穿，电流电压（I-V）曲线发生相应变化。照射在非量子点区域，则I-V曲线没有变化。该方法尤其适宜于微弱光探测领域，并且在量子点区域可控的情况下，可以实现量子信息（qubit）的有效控制。但是InAs和InGaAs禁带宽度较小，只能相应红外波段的光源，并且InGaAs禁带宽度可调范围有限，综上可见砷化物作为隧穿结所能够响应的光谱范围有限，这将限制其在更广阔领域的应用。
技术实现思路
为克服现有砷化物量子隧穿共振二极管所能响应光谱范围有限的缺点，本专利技术提供了基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件及其制备方法。本专利技术具体通过以下技术方案予以实现所要解决的技术问题：本专利技术中，基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件的制备方法，所述制备方法步骤如下：（1）衬底材料层1使用之前在H2环境下进行清洗，温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选100～500mbar；（2）载气为H2，衬底材料层1上生长缓冲层2，所述缓冲层2为AlN或GaN，厚度为1～100nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（3）载气为H2，在GaN缓冲层2上生长n-GaN层3，厚度为100nm～10μm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar，在该n-GaN层3中Si的浓度为（4）载气切换为N2，在n-GaN层3上生长GaN层4，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（5）载气为N2，在GaN层4上生长AlN层5，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（6）载气为N2，在AlN层5上生长InGaN量子点层6，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（7）载气为N2，在InGaN量子点层6上生长AlN层7，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（8）载气为N2，在AlN层7上生长GaN层8，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（9）载气为H2，在GaN层8上生长n-GaN层9，厚度为100nm～10μm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；在该n-GaN层9中Si的浓度为（10）反应室降温，恢复原始条件，生长结束；（11）采用感应耦合等离子体刻蚀预设材料表面，刻蚀深度直至n-GaN层3为止；所述材料表面和刻蚀台面制作欧姆电极，使用Au或Ge或Ni金属。优选的，所述生长的方法采用分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）或金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）；优选金属有机物化学气相沉积法。优选的，所述金属有机物化学气相沉积法的金属有机源为三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl），氮源为氨气（NH3），金属有机源的载气为氢气（H2）或氮气（N2）。优选的，所述衬底材料层1为Al2O3、Si、SiC或GaAs衬底；所述Al2O3衬底优选蓝宝石。优选的，所述步骤（7）的AlN层7和步骤（8）的GaN层8之间还可以依次生长GaN层10和氮化物量子阱层11。优选的，所述GaN层10厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；所述氮化物量子阱层11厚度为0.1～50nm，优选0.5～5nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar。经过上述步骤后，氮化物量子隧穿二极管器件制备成功。材料表面和刻蚀台面的欧姆电极分别连接正、负极，可以得到电流电压（I-V）曲线。按照量子力学的观点，即使存在势垒，电子仍然可以穿越势垒，这是I-V曲线中仍可以测得电流的原因。当聚焦光束的激光器照射在材料表面非电极区域，在量子点区域，I-V曲线会有变化，在非量子点区域，I-V曲线没有变化。在光照条件下产生光生载流子，经过量子点区域时空穴被量子点捕获，使得材料的能带结构发生变化，发生隧穿电流的阈值电压降低。非量子点区域，则不存在这种情况。本专利技术中，基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件，包括衬底材料层，所述衬底材料层1上依次生长缓冲层2、n-GaN层3、GaN层4、AlN层5、氮化物量子点层6、AlN层7、GaN层8和n-GaN层9。优选的，所述AlN层7和GaN层8之间还可以依次生长GaN层10和氮化物量子阱层11。优选的，所述衬底材料层1为Al2O3、Si、SiC或GaAs衬底；所述Al2O3衬底优选蓝宝石；所述缓冲层2为AlN或GaN，厚度为1～100nm；所述n-GaN层3厚度为100nm～10μm；所述GaN层4厚度为1～100nm；所述AlN层5厚度为1～50nm；所述AlN层7厚度为1～50nm，优选2～10nm；所述GaN层8厚度为1～100nm，优选10～50nm；所述n-Ga层9厚度为100nm～10μm。优选的，所述GaN层10厚度为1～100nm，优选10～50nm；所述氮化物量子阱层11厚度为0.1～50nm，优选0.5～5nm。本专利技术中氮化物量子点可以外延生长GaN或者InGaN量子点，尤其是InGaN量子点的禁带宽度可以通过调节In组分达到0.7eV至3.2eV区间，这样相对于砷化物来说，氮化物可以响应更大范围的光谱，扩大其应用范围。另外，如果外延量子点区域可以控制，由前述内容可以知道，在同一电压下通过光照与否可以得到不同电流，这样实现量子信息(qubit)的控制，有助于最终实现量子计算机。本专利技术所述外延结构简单，器件制备步骤简便，条件温和，具有广泛实用价值。附图说明图1是基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件结构示意图（单层量子点）;图2是基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件结构示意图（多层量子点）;图3是基于氮化物量子点共振隧穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：（1）衬底材料层1使用之前在H

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：（1）衬底材料层1使用之前在H2环境下进行清洗，温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选100～500mbar；（2）载气为H2，衬底材料层1上生长缓冲层2，所述缓冲层2为AlN或GaN，厚度为1～100nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（3）载气为H2，在GaN缓冲层2上生长n-GaN层3，厚度为，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar，在该n-GaN层3中Si的浓度为（4）载气切换为N2，在n-GaN层3上生长GaN层4，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（5）载气为N2，在GaN层4上生长AlN层5，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（6）载气为N2，在AlN层5上生长InGaN量子点层6，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（7）载气为N2，在InGaN量子点层6上生长AlN层7，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（8）载气为N2，在AlN层7上生长GaN层8，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；（9）载气为H2，在GaN层8上生长n-GaN层9，厚度为100nm～10μm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600mbar；在该n-GaN层9中Si的浓度为（10）反应室降温，恢复原始条件，生长结束；（11）采用感应耦合等离子体刻蚀预设材料表面，刻蚀深度直至n-GaN层3为止；所述材料表面和刻蚀台面制作欧姆电极，使用Au或Ge或Ni金属。2.根据权利要求1所述的基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件的制备方法，其特征在于，所述生长的方法采用分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）或金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）；优选金属有机物化学气相沉积法。3.根据权利要求1所述的基于氮化物量子点的共...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣巍，
申请(专利权)人：无锡盈芯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32