本发明专利技术提供了一种半导体量子点亚稳态共振隧穿二极管结构及工作条件。该结构包括：衬底，在衬底上依次排列生长集电极、第二隧道势垒层、与发射极集电极间耦合的量子点、第一隧道势垒层和发射极。工作条件包括工作温度，工作偏压，量子点亚稳态的获得。它可以消除量子点邻近子能级对亚稳能态单电子隧穿的影响，达到提高二极管工作温度的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体单电子器件，特别是指一种利用量子点亚稳态实现单电子 共振隧穿的二极管结构设计及工作条件。
技术介绍
半导体双势垒共振隧穿二极管(DB-RTD是利用束缚能态实现量子隧穿输运 的一种电子学器件；当受双势垒束缚的体系具有零维类原子能级特征时，由于 每一个分立能态只能同时容纳一个电子，因此电子通过这些类原子能级体系的 共振隧穿过程成为单电子隧穿过程。单电子隧穿构成了电子器件的一个极限情 形，它在单个能态水平上实现对电流的控制，因而在当前一些前沿
具 有重要应用，例如高灵敏的电位计、高量子效率的光探测器等，也是下一代量 子信息技术的可能基元。虽然单电子器件可以由碳纳米管、有机大分子等材料体系构建，但单电子隧 穿过程的最佳应用体系无疑是半导体材料，这既是出于和现有半导体工艺相兼 容的集成化需要，也有利于实现光子-电子间的耦合调控。目前，半导体单电子 器件的主要应用障碍在于它的工作温度。如图1所示，传统的经过稳态量子化 能级的单电子隧穿机制中，工作温度取决于相邻分立子能级之间的能量差和库 仑阻塞能(零维体系具有很小的电容，同时容纳两个或更多净电荷时，库仑作 用引起体系能量的增加，库仑能的存在和子能级差一样，阻塞了多电子同时隧 穿的发生)。当温度引起的热涨落接近库仑能与子能级间距之和(也称电荷注入能)时，单电子隧穿特征受热扰动的影响(或称为热涂抹效应)不复存在；而 要在半导体零维体系即量子点中获得远大于室温热涨落ar3。。K~25.9meV)的 电荷注入能，其空间尺度在3个维度上都必须在10纳米左右甚至更小，这给半 导体工艺技术提出了极高的要求；因此当前主要的半导体单电子隧穿器件都只 能在低温下工作，从而限制了单电子器件的广泛应用。
技术实现思路
基于上述已有技术存在的问题，本专利技术的目的是提出一种工作温度高于传统 双势垒共振单电子隧穿二极管的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管结构，及在 该结构中实现空穴占据半导体量子点价带能级形成的亚稳态实现单电子共振隧 穿的工作条件。本专利技术的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，包括衬底，在衬底上依次排 列生长集电极、第二隧道势垒层、与发射极集电极间耦合的量子点、第一隧道 势垒层和发射极。其特征在于所述的集电极是掺杂成n型的半导体层，厚度为100 1000nm，形成了集电 极的导带底高于量子点的价带顶0.1-0.3 eV，其材料为GaAs, InP或InAs。所述的第二隧道势垒层是未掺杂半导体层，厚度为0.5-10 nm，形成了势垒 层的导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层的价带高于集电极材 料的价带并低于量子点的价带顶或者与之平齐，其材料为AlGaAs， AlSb。所述的量子点是在第一、第二隧道势垒层之间自组织生长的半导体量子点， 材料为InGaAs， GaSb,尺寸小于50 nm。所说的半导体量子点至少为一个。所述的量子点亚稳态是在n型集电极和发射极的背景中，量子点处于空穴占据状态，单个量子点中的空穴数为l或多于l。所述的第一隧道势垒层是为未掺杂的半导体层、绝缘氧化物层或氮化硅层； 形成了导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层价带高于发射极材 料的价带并低于量子点的价带顶。半导体层为AlGaAs或AlSb;绝缘氧化物层 为氧化硅或量子点层表面自然氧化获得。第一隧道势垒层的厚度小于第二隧道势垒层的厚度。所述发射极是金属层或掺杂成n型的半导体层，形成了发射极的费米面位置 高于量子点的价带顶0.1 0.3eV。金属层为Cu,Au材料，厚度大于30nm;半导 体层为GaAs， InP或InAs材料，厚度为100~1000 nm。亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管的工作条件1) 工作温度为消除热扰动对二极管隧穿机能的影响，器件工作温度r应根据具体材料体系的能带隙五g和电容值C判决，温度限的判决条件是温度引起的热涨落需小 于单电荷e注入量子点产生的库仑能t/或者量子点的带隙，A为波尔磁曼长数或A:r<￡g °2) 工作偏压工作偏压的选取需使得量子点的空穴占据态低于发射极的费米面并高于集 电极的导带低，具体偏压值由第一、第二势垒层的宽度和高度决定。3) 量子点亚稳态的获得量子点亚稳态是通过量子点的空穴占据态获得的，空穴占据态使用光激发产 生，按激发波长的选取，分为两种量子点空穴占据方式 一种是光子直接激发量子点产生电子-空穴对，激发光子能量/^需要大于量子点带隙五g;另一种是 激发光子能量^大于集电极材料的带隙，光生空穴主要产生在集电区，经扩散 或漂移进入量子点。本专利技术的二极管的工作原理见图3(b)，在上述工作条件下，使得发射极费米面、集电极导带和量子点的 空穴占据能级三者之间的排列处于共振隧穿状态，发射极电子可以通过量子点 价带的空穴态共振隧穿至集电极导带能级。量子点的其它价带能级被电子填充， 根据费米载流子的泡利法则，不能参与隧穿过程；同时由于能带隙的存在，量子点导带的子能级不能在tr ￡g的工作温度下通过热辅助作用参与共振隧穿，这样双势垒共振隧穿只发生在一个或少数空穴占据态，通过控制空穴在量子点 中的占据情况可以实现亚稳态的单电子隧穿效应。亚稳态量子点隧穿二极管的工作状态由偏压调节。在发射极和集电极间偏压 的作用下，量子点的能级相对电极区的能带和费米能级位置发生移动。当能级 相对位置偏离共振隧穿状态，即量子点价带空穴态能级低于集电极导带底或高 于发射极费米面时，作为隧穿通道的量子点价带能级关闭，器件中只有暗电流。 当偏压设置满足器件共振隧穿工作条件的要求，即量子点的空穴占据态处于图 3(b)所示的相对能级状态时，空穴态作为隧穿通道打开，发射极电子以器件固有 的特征频率共振隧穿经过量子点到达集电极，回路中产生相应的共振隧穿电流， 电流幅度仅取决于器件的单电子隧穿频率，不受偏压、器件尺寸等条件影响。 这样通过偏压调节量子点双势垒二极管的能级相对位置，实现了器件单电子隧 穿工作状态的切换。本专利技术提供的共振隧穿二极管有如下优点和积极效果1. 较高的工作温度目前所有利用自组织生长量子点稳态能级实现单电子 共振隧穿效应工作温度主要取决于量子点的子能级间距，所以都必须工作在接近液氮(77K)甚至更低的温度。本专利技术利用亚稳态实现了量子点中单电子隧穿效应，工作温度受限于量子点的能带隙，目前绝大多数的量子点能带隙是子能级带隙的5倍以上，因而本专利技术的设计方案可以极大的提高量子点共振隧穿二 极管的工作温度，从而显著拓展单电子隧穿二极管器件的应用。2. 较宽的应用范围自组织量子点是最易制备且晶体质量极好的半导体零维结构，本专利技术的二极管结构简单，而且可应用在多数自组织量子点上。同时 亚稳态的引入也为对单电子过程的调控提供了途径，可以实现一些新的技术应 用，例如单光子探测。附图说明图1为传统半导体单电子隧穿二极管结构的能级示意图，(a)零偏压条件； (b)正偏压条件，其中垂直方向是能量坐标，水平方向为对应二极管剖面位置的空间坐标。图2为本专利技术的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管的结构示意图。图3为本专利技术的亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管结构的能级示意图，(a) 零偏压条件；(b)正偏压条件。图4(a)为实施例InAs/-GaAs量子点共振隧穿二极管的结构示意图；(b)为 能级示本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，包括：衬底（６），在衬底上依次排列生长集电极（５）、第二隧道势垒层（４）、与发射极集电极间耦合的量子点（３）、第一隧道势垒层（２）和发射极（１），其特征在于：所述的集电极是掺杂成ｎ型的半导体层，厚 度为１００～１０００ｎｍ，形成了集电极的导带底高于量子点的价带顶０．１～０．３ｅＶ，其材料为ＧａＡｓ，ＩｎＰ或ＩｎＡｓ；所述的第二隧道势垒层（４）是未掺杂半导体层，厚度为０．５～１０ｎｍ，形成了势垒层的导带能级高于集电极和量子点材料 的导带底，势垒层的价带高于集电极材料的价带并低于量子点的价带顶或者与之平齐，其材料为ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＳｂ；所述的量子点（３）是在第一、第二隧道势垒层之间自组织生长的半导体量子点层，材料为ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ，尺寸小于５０ｎｍ； 所述的第一隧道势垒层是为未掺杂的半导体层、绝缘氧化物层或氮化硅层；形成了导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层价带高于发射极材料的价带并低于量子点的价带顶；半导体层为ＡｌＧａＡｓ或ＡｌＳｂ；绝缘氧化物层为氧化硅或量子点层表面自 然氧化获得；第一隧道势垒层的厚度小于第二隧道势垒层的厚度；所述发射极是金属层或掺杂成ｎ型的半导体层，形成了发射极的费米面高于量子点的价带顶０．１～０．３ｅＶ；金属层为Ｃｕ，Ａｕ材料，厚度大于３０ｎｍ；半导体层为ＧａＡｓ，Ｉｎ Ｐ或ＩｎＡｓ材料，厚度为１００～１０００ｎｍ。...
【技术特征摘要】
1.一种亚稳态辅助量子点共振隧穿二极管，包括衬底(6)，在衬底上依次排列生长集电极(5)、第二隧道势垒层(4)、与发射极集电极间耦合的量子点(3)、第一隧道势垒层(2)和发射极(1)，其特征在于所述的集电极是掺杂成n型的半导体层，厚度为100～1000nm，形成了集电极的导带底高于量子点的价带顶0.1～0.3eV，其材料为GaAs，InP或InAs；所述的第二隧道势垒层(4)是未掺杂半导体层，厚度为0.5～10nm，形成了势垒层的导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层的价带高于集电极材料的价带并低于量子点的价带顶或者与之平齐，其材料为AlGaAs、AlSb；所述的量子点(3)是在第一、第二隧道势垒层之间自组织生长的半导体量子点层，材料为InGaAs，GaSb，尺寸小于50nm；所述的第一隧道势垒层是为未掺杂的半导体层、绝缘氧化物层或氮化硅层；形成了导带能级高于集电极和量子点材料的导带底，势垒层价带高于发射极材料的价带并低于量子点的价带顶；半导体层为AlGaAs或AlSb；绝缘氧化物层为氧化硅或量子点层表面自然氧化获得；第一隧道势垒层的厚度小于第二隧道势垒层的厚度；所述发射极是金属层或掺杂成n型的半导体层，形成了发...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，李天信，陈平平，张波，甄红楼，李志锋，李宁，陈效双，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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