一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法技术

本发明专利技术公开了一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法，该锑化物量子点超晶格结构包括：一衬底；外延在衬底上的一层或多层缓冲层；在缓冲层上沉积Sb形成的一锑化物过渡层；外延于过渡层上的一锑化物量子点层；外延于量子点层上的一抑制层；以及，外延于抑制层上的一层或多层砷化物盖层。由于该锑化物量子点超晶格结构中引入了抑制层，如若在该结构上继续生长新的砷化物盖层，则能隔绝盖层中As与锑化物量子点中Sb的接触，有效抑制在锑化物量子点上生长砷化物盖层时As与Sb之间发生的交换现象，获得高质量的锑化物量子点超晶格结构。

【技术实现步骤摘要】
一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法
本专利技术属于半导体低维结构材料外延生长
，尤其涉及一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法。
技术介绍
半导体异质结的能带排列方式通常决定了异质结构的电学和光学性质，图1给出常见I型和II型异质结能带排列方式的示意图，灰色区域为半导体材料的禁带。以GaSb/GaAs量子点为代表的锑化物量子点具有特殊的II型异质结能带特征，如图1右侧所示。具体表现在，空穴限制在能量较低的GaSb量子点中，电子通过库伦引力位于量子点外围的GaAs基质中，电子和空穴在空间上是分离的，波函数重叠小，载流子辐射复合寿命远远大于图1左侧所示常见的I型量子点。由于GaSb和GaAs的价带带阶很大，因而空穴在GaSb中的限制能很大，理论上可以将GaSb/GaAs量子点引入场效应晶体管结构中，通过外加偏压，使空穴注入量子点实现数据的写操作，测量沟道中的电流实现数据的读取操作，或者外加反向偏压将空穴抽离出量子点实现数据的擦除操作。该新型量子点存储机制有可能同时具备目前DRAM存储器的高速特征和Flash存储器存储时间长的特征，尽管其理论结构和原型器件很早就被提出并被研究，但是至今没有实现真正的室温工作存储器，主要原因是在器件结构中生长GaSb量子点后，继续生长上面的砷化物盖层材料形成超晶格以完成整个器件结构时，盖层的As和量子点中的Sb发生严重的交换互混，使得量子点几乎消失。如图3的原子力显微镜(AFM)图像所示，我们生长了GaSb量子点后用现有技术在表面仅覆盖了1nm的GaAs，就变成了条纹状的形貌，具有GaAsSb/GaAs的特征，即大量的As进入GaSb量子点中。Martin等人在Appl.Phys.Lett.V12，113103，2013的文章中用扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，STM)观察覆盖了GaAs的GaSb量子点截面，发现GaSb量子点中心部分的Sb几乎都被As取代，只留下周围一圈的GaSb，被称为量子环，其尺寸和形貌都不易控制。因此，要实现GaSb量子点的优异器件性能，亟待解决GaSb/GaAs量子点超晶格结构生长中As与Sb交换的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法，有效抑制在锑化物量子点上生长砷化物盖层时As与Sb之间发生的交换现象，获得高质量的锑化物量子点超晶格结构。(二)技术方案本专利技术提供了一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法，其结构具体包括：一衬底；一缓冲层，为一层半导体材料或两层不同的半导体材料，其外延于衬底上；以及一量子点超晶格区，由多个量子点超晶格层组成，具体包括：一过渡层，其外延于缓冲层上；一量子点层，其外延于过渡层上；一抑制层，其外延于量子点层上；以及一砷化物盖层，为一层砷化物材料或两层不同的砷化物材料，其外延于抑制层上。其中，所述衬底为GaAs；所述缓冲层是与衬底晶格相匹配的砷化物，包括GaAs、AlAs或AlGaAs，该缓冲层的厚度在100nm-500nm之间；所述过渡层为锑化物，其厚度为所述量子点层为锑化物，其厚度在之间；所述抑制层为AlAs1-xSbx，x＝0.7-1.0，厚度在之间；所述砷化物盖层为GaAs、AlAs或InAs，总厚度在5nm-100nm之间；所述锑化物为GaSb、InSb或GaInSb。本专利技术还提供了一种锑化物量子点超晶格结构进行制备的方法，具体包括：提供一衬底；在衬底上外延生长一层或两层缓冲层；在缓冲层上沉积Sb，形成一锑化物过渡层；在过渡层上外延生长一锑化物量子点层；在量子点层上外延生长一抑制层；以及在抑制层上外延生长一层或两层砷化物盖层。其中，所述衬底为GaAs；所述缓冲层是砷化物GaAs、AlAs或AlGaAs，在衬底温度为580℃-620℃时采用分子束外延技术生长在衬底之上，厚度在100nm-500nm之间；所述过渡层为锑化物，在衬底温度为400℃-480℃时在缓冲层上沉积Sb，然后与所述砷化物缓冲层表面的As发生置换生成该过渡层，厚度为所述量子点层为锑化物，在衬底温度为400℃-480℃时采用分子束外延技术生长在过渡层之上，厚度在之间。所述抑制层为AlAs1-xSbx，x＝0.7-1.0，在衬底温度为400℃-480℃时采用分子束外延技术生长在量子点层之上，厚度在之间；所述砷化物盖层为GaAs、AlAs或AlGaAs，在衬底温度为400℃-480℃时采用分子束外延技术生长在抑制层之上，总厚度在5nm-100nm之间；所述锑化物为GaSb、InSb或GaInSb。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术提供的一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的一种锑化物量子点超晶格结构，通过在锑化物和砷化物之间引入一抑制层，使得锑化物量子点中的Sb元素被抑制层阻挡，有效解决了锑化物量子点和砷化物盖层之间As和Sb的交换互混问题保证了锑化物量子点的纯度。(2)本专利技术提供的一种锑化物量子点超晶格结构，包含纯锑化物量子点，具有高密度，对量子点高密度存储应用具有很大潜力。(3)本专利技术提供的一种锑化物量子点超晶格结构，能够在其上继续生长盖层，形成完整的器件结构，以便与未覆盖的量子点结构进行区分。附图说明图1是现有技术中两种半导体异质结能带排列示意图。图2是现有技术中直接在GaSb量子点表面生长GaAs盖层的AFM形貌图。图3是本专利技术提供的锑化物量子点超晶格结构的示意图。图4是本专利技术提供的锑化物量子点超晶格结构的生长方法流程图。图5是依照本专利技术实施例的GaSb/GaAs量子点超晶格的结构生长方法流程图。图6是依照本专利技术实施例GaSb/GaAs量子点超晶格样品的AFM形貌图。图7是依照本专利技术实施例的GaSb/AlAs量子点超晶格结构的示意图。【符号说明】1：衬底2：缓冲层3：过渡层4：量子点层5：抑制层6：砷化物盖层2a：GaAs缓冲层2b：AlAs缓冲层6a：AlAs盖层6b：GaAs盖层具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，用以下两个示例性实施例，并参照附图，对本专利技术进行进一步说明。本专利技术提供了一种锑化物量子点超晶格结构及其生长方法。如图3所示，该量子点超晶格材料具体包括：一衬底；一缓冲层，可以包含两层不同的半导体材料，其外延于衬底上；一量子点超晶格区，由多个量子点超晶格层组成，具体包括：一过渡层，其外延于缓冲层上；一量子点层，其外延于过渡层上；一抑制层，其外延于量子点层上；一砷化物盖层，可以包含两层不同的砷化物材料，其外延于抑制层上。在本专利技术中，衬底可以选用GaAs；缓冲层可以选用GaAs、AlAs等与衬底晶格相匹配的砷化物，该缓冲层的厚度为100nm-500nm；过渡层可以选用GaSb，其厚度为量子点层可以选用GaSb，其厚度为抑制层可以选用AlAs1-xSbx，x＝0.7-1.0，厚度为砷化物盖层可以选用GaAs、AlAs等砷化物，其厚度为5nm＝100nm；锑化物可以选用GaSb、InSb及各种锑化物合金材料中的一种，如GaInSb、GaAlSb等；砷化物可以选用GaAs、AlAs、InAs及其砷化物合金材料中的一种，如AlGaAs、InGaAs、In本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锑化物量子点超晶格结构，包括：一衬底；一缓冲层，为一层半导体材料或两层不同的半导体材料，其外延于衬底上；以及一量子点超晶格区，由多个量子点超晶格层组成，具体包括：一过渡层，其外延于缓冲层上；一量子点层，其外延于过渡层上；一抑制层，其外延于量子点层上；以及一砷化物盖层，为一层砷化物材料或两层不同的砷化物材料，其外延于抑制层上。

【技术特征摘要】
1.一种锑化物量子点超晶格结构，包括：一衬底；一缓冲层，为一层半导体材料或两层不同的半导体材料，其外延于衬底上；以及一量子点超晶格区，由多个量子点超晶格层组成，具体包括：一过渡层，其外延于缓冲层上；一量子点层，其外延于过渡层上；一抑制层，其外延于量子点层上；以及一砷化物盖层，为一层砷化物材料或两层不同的砷化物材料，其外延于抑制层上。2.根据权利要求1所述的锑化物量子点超晶格结构，其中：所述衬底为GaAs；所述缓冲层是与衬底品格相匹配的砷化物，包括GaAs或AlAs，该缓冲层的厚度在100mn-500nm之间。3.根据权利要求1所述的锑化物量子点超晶格结构，其中：所述过渡层为GaSb，其厚度为所述量子点层为锑化物，其厚度在之间。4.根据权利要求1所述的锑化物量子点超晶格结构，其中：所述抑制层为A1As1-xSbx，x＝0.7-1.0，厚度在之间；所述砷化物盖层为GaAs或AlAs，总厚度在5nm-100nm之间。5.根据权利要求1所述的锑化物量子点超晶格结构，其中：所述锑化物为GaSb、InSb或GaInSb；所述砷化物为GaAs、AlAs或InAs。6.一种制备权利要求1至5中任一项所述的锑化物量子点超晶格结构的方法，包括：提供一衬底；在衬底上外延生长一层或两层缓冲层；在缓冲层上沉积Sb，形成一锑化物过渡层；在过渡层上外延生长一锑化物量子点层；在量子点层上外延...

【专利技术属性】
技术研发人员：于天，刘舒曼，宁超，徐波，刘峰奇，陈涌海，王利军，刘俊岐，张锦川，卓宁，翟慎强，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11