一种半导体/金属/半导体量子阱结构、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，包括第一半导体层、金属Al薄膜层和第二半导体层，其中金属Al薄膜层夹杂在第一半导体层和第二半导体层之间，金属Al薄膜层为取向唯一的单晶且没有孪晶。本发明专利技术还提供了一种半导体/金属/半导体量子阱结构的制备方法。本发明专利技术利用两步法外延制备的金属Al薄膜表面平整，单晶质量高，无孪晶，光学损耗低，半导体/金属/半导体量子阱结构可用于半导体量子信息器件。体量子信息器件。体量子信息器件。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体/金属/半导体量子阱结构、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种获得高质量晶圆尺寸的Al单晶薄膜和包含单晶Al薄膜的半导体/金属/半导体量子阱结构、外延制备方法及其应用，更具体的说，涉及到Si衬底上直接外延高质量Al生长条件的优化包括衬底的处理、Al生长温度的优化以及原位退火过程。

技术介绍

[0002]金属Al薄膜具有优异的阻隔和防腐蚀性能、良好的导电性能和光学性能以及其积极的经济意义,在各种多层高反射薄膜以及各种薄膜器件的设计中,金属Al薄膜都占据着极其重要的地位。纯度大于99.95%的Al薄膜能抵制大多数酸的腐蚀,可作为仪器的保护膜。金属Al薄膜良好的导电能力仅次于银、铜，被大量用于电器设备和电极制备，特别在等离基元光电器件的制作过程中，金属Al薄膜可作为衬底直接进行器件结构的外延生长。
[0003]随着技术的发展，器件应用对金属薄膜的纯度、晶体质量以及表面平整度等性能要求越来越高。但目前很多制备方法所得金属薄膜已无法满足发展要求。利用分子束外延可以进行原子级别的精准调控，获得表面平整高质量的单晶Al薄膜。在CMOS工艺中，金属和半导体的高效集成同样具有重要的意义，而Al/Si做为经典的金半接触结构，其界面的调控对于高质量Al薄膜的生长作用显著。虽然，Al和Si的晶格常数相差较大（晶格失配度为33.9%），但是四个Al的晶格可以对应三个Si的晶格，从而大大降低了Al/Si之间的晶格失配（0.47%）。在目前Al薄膜的生长方法中，生长温度普遍为室温及以下。在未经处理的Si衬底上生长的Al薄膜通常为多晶，存在较多的孪晶且表面粗糙度大。而一般常用的单晶Al的外延方法是将Si（111）衬底处理成7
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7重构表面，然后直接在 7
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7表面进行低温生长，生长的Al薄膜表面平整但通常会伴随孪晶的形成，孪晶界在高性能器件的应用上会造成一定的损耗。尽管有报道称在√3
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√3重构表面上生长的Al薄膜质量可以得到进一步的提高，但该重构表面的获得相对较为复杂，整个过程处理时间较长（5
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6个小时以上）。因此寻求一种简便高效的单晶Al的生长方法是非常必要的。
[0004]高质量的单晶Al薄膜因其在紫外等离激元和超导量子计算中的应用而受到越来越多的关注。Al薄膜的晶体质量和表面平整度在这些器件性能中起着至关重要的作用。例如，表面的不均匀性和晶界的无序会导致表面等离激元的散射损失，从而限制等离激元器件的性能。另外，在超导量子计算器件中，影响量子比特相干时间的主要因素是量子比特制备过程中表界面的非晶层以及器件制备过程中分子官能团的吸附所形成的双能级缺陷。为了提高超导量子比特寿命，必须从根本上减少芯片制备过程中的非晶材料，避免引入表界面杂质。而高质量的Al薄膜可以降低微波损耗，提高谐振腔的质量因子，并提高量子比特的相干时间。在CMOS工艺中，高质量的单晶Al与Si集成的研究也具有重要意义。
[0005]基于高质量的单晶Al薄膜，可以进一步实现高质量的Si/Al/Si的三明治结构。这样的半导体/金属/半导体结构中出现的新的物理效应会带来相关器件性能的提高甚至诞生出新型电子器件。以超导量子计算为例，相对于传统的基于Nb/AlO
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/Nb或者Al/AlO
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/Al结构的约瑟夫森结，Si/Al/Si结构同时具有超导和半导体特性，其中Al可以作为Si/Al/Si中
的delta掺杂层，并且有理论预测此结构存在超导特性，而Si原子由于序数小，带隙大，所以自旋轨道耦合较小，在自旋弛豫中可以保持较长的相干时间。并且Si/Al/Si结构可以通过分子束外延方法进行精确的界面调控，从而极大的降低界面损耗，使得Si/Al/Si结构在IV族半导体量子信息处理器件方面的应用具有很大的潜力。除此之外，半导体/金属/半导体晶体管一直是微波电路设计中所期待的理想器件，但因为难以获得高质量的半导体/金属/半导体外延结构尤其是金属上高质量的半导体外延而无法实现。高质量的Al薄膜生长技术可以提供条件使得Al上半导体外延的质量得以提高，从而实现高质量的Si/Al/Si的三明治结构。另外，Si/Al/Si的三明治结构中，通过调控Al层厚度可以进行能带调控，获得Si/Al/Si量子阱结构，三明治结构的成功也可以进一步实现Si/Al超晶格结构，与掺杂半导体层相结合可以实现更多的新型晶体管结构，为微波电子器件发展开辟新的途径。

技术实现思路

[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，包括第一半导体层、金属Al薄膜层和第二半导体层，其中金属Al薄膜层夹杂在第一半导体层和第二半导体层之间，所述金属Al薄膜层为取向唯一的单晶且没有孪晶。
[0007]在本专利技术的优选方案中，金属Al薄膜层的厚度为0.1
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100nm。
[0008]在本专利技术的优选方案中，第一半导体层为单晶层。
[0009]在本专利技术的优选方案中，第一半导体层和/或第二半导体层为掺杂半导体。
[0010]本专利技术还提供了一种半导体/金属/半导体量子阱结构的制备方法，具体步骤包括：（1）首先对第一半导体层进行预处理；（2） 通过外延方法，在
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50℃
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50℃的条件下，在第一半导体层上生长一层Al种子层；（3）将Al种子层加热进行退火处理；（4）通过外延方法，生长金属Al薄膜层；（5）通过外延方法，生长第二半导体层，得到半导体/金属/半导体的量子阱结构；（6）将所述半导体/金属/半导体的量子阱结构加热进行退火处理。
[0011]在本专利技术的优选方案中，预处理的方法包括化学法和热处理法。
[0012]在本专利技术的优选方案中，步骤（3）中退火温度为100℃
‑
200℃，退火时间为10
‑
30分钟。
[0013]在本专利技术的优选方案中，步骤（4）中生长温度为50℃
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200℃，生长速率为0.1
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1 nm/min。
[0014]在本专利技术的优选方案中，步骤（6）中退火温度在100℃
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500℃，退火时间为10
‑
30分钟。
[0015]在本专利技术的优选方案中，步骤（1）后，先生长一层同质缓冲层。
[0016]本专利技术还提供了一种半导体量子信息器件，包括上述的半导体/金属/半导体量子阱结构。
[0017]本专利技术使用先生长Al种子层后生长Al薄膜层的两步法在半导体衬底上外延生长高质量的Al单晶薄膜以及半导体/金属/半导体量子阱结构，提供了一种优化的制备手段，
相比现有技术具有以下优势：（1）通过本专利技术方法制备得到的Al薄膜表面平整，粗糙度为100
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200pm，单晶质量高，且没有孪晶；（2）本专利技术在低温下（
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50
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50℃）生长Al种子层保证了平整的界面和表面；（3）本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，包括第一半导体层、金属Al薄膜层和第二半导体层，其中所述金属Al薄膜层夹杂在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述金属Al薄膜层为取向唯一的单晶且没有孪晶。2.根据权利要求1所述的半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，所述金属Al薄膜层的厚度为0.1
‑
100nm。3.根据权利要求1所述的半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，所述第一半导体层为单晶层。4.根据权利要求1所述的半导体/金属/半导体量子阱结构，其特征在于，所述第一半导体层和/或所述第二半导体层为掺杂半导体。5.一种半导体/金属/半导体量子阱结构的制备方法，其特征在于，包括：（1）首先对第一半导体层进行预处理；（2）通过外延方法，在
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50℃
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50℃的条件下，在所述第一半导体层上生长一层Al种子层；（3）将所述Al种子层加热进行退火处理；（4）通过外延方法，生长金属Al薄膜层；（5）通过外延方法，生长第二半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦红，常梦琳，袁紫媛，
申请(专利权)人：南京磊帮半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：