半导体纳米材料

Semiconductor Technology Vol. 26 No. 2March 2001 13 纳米半导体材料及其纳米器件研究进展 王占国 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学实验室 北京 100083 摘要 简单介绍纳米半导体材料的定义 性质及其在未来信息技术中的地位 分别讨论半导体纳米结 构的制备与评价技术 对近年来纳米半导体材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展 存在的问 和发展的趋势作扼要的综述 最后 结合国情和我国在该领域的研究现状 提出发展我国纳米半导体材 料的战略设想 1 引 言 低维半导体材料 通常是指除三维体材料之外 的二维超晶格 量子阱材料 一维量子线和零维 量子点材料 从物理上讲 它们是正统的纳米半导 体材料 二维超晶格 量子阱材料 是指载流子在 两个方向 如在 x, y平面内 上可以自由运动 而 在另外一个方向(z)则受到约束 即材料在这个方 向的尺寸与电子的德布洛意波长(l d =h/ Em´2 )或 电子的平均自由程相比拟或更小 一维量子线材 料 是指载流子仅在一个方向可以自由运动 而在 另外两个方向则受到约束 零维量子点(Q Ds )材 料 是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的 材料系统 即电子在三个维度上的能量都是量子化 的 本文主要讨论一维量子线和零维量子点半导体 材料 纳米半导体材料是一种自然界不存在人工制造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 它具有与 体材料截然不同的性质 随着材料维度的降低和结 构特征尺寸的减小( 100nm) 量子尺寸效应 量 子干涉效应 量子隧穿效应 库仑阻塞效应以及多 体关联和非线性光学效应都会现得越来越明显 这将从更深的层次揭示出纳米半导体材料所特有的 新现象 新效应 MBE MOCVD技术 超微细 离子束注入加工和电子束光刻技术等的发展为实现 纳米半导体材料生长 制备 纳米器件 量子干涉 晶体管 量子线场效应晶体管 单电子晶体管和单 电子存储器以及量子点激光器 微腔激光器等 的 研制创造了条件 这类纳米器件以其固有的超高速 10-12~1 0-13se c 超高频 >10 00GH z 高集 成度 >10 10元器件 /cm2 高效低功耗和极低阈 值电流密度 亚微安 极高量子效率 高的调 制速度与极窄带宽以及高特征温度等特点在未来的 纳米电子学 光子学和光电集成以及ULSI等方面 有着极其重要应用前景 极有可能触发新的技术革 命 成为新世纪信息技术的支柱 美 日 西欧等 工业发达国家先后集中人力和物力建立了 10多个 这样的研究中心或实验基地 特别是美国 于今年 初提出了纳米技术倡议 2001年拨出专款近5亿美 元 加速纳米科学技术的研究开发步伐 力图在21 世纪初能在这一新兴的高科技领域占主导地位 2 半导体纳米结构的制备技术 半导体纳米结构材料的发展很大程度上是依赖 材料先进生长技术 MBE, MOCVE等 和精细加 工工艺 聚焦电子 离子束和 x-射线 光刻技术 等 的进步 本节将首先介绍MBE和MOCVD技 术 进而介绍如何将上述两种技术结合起来实现纳 米量子线和量子点结构材料的制备 并对近年来得 到迅速发展的应变自组装制备量子点 线 和量子 点 线 阵列方法进行较详细讨论 最后对其它制 备技术也将加以简单介绍 2.1 MBE和MOCVD生长技术 2.1.1 分子束外延(MBE)技术[1~3] MBE技术实际上是超高真空条件下 对分子 或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技 Semiconductor Technology Vol. 26 No. 2March 2001 14 术 通常认为MBE材料生长机理与建立在热力学 平衡条件下的 LPE和 VPE不同 即是说分子 原 子 束在衬底表面上发生的过程是受动力学支配 的 研究表明: MBE生长过程实际上是一个具有 热力学和动力学同时并存 相互关联的系统 只 有在由分子束源产生的分子 原子 束不受碰撞 地直接喷射到受热的洁净衬底表面 并在表面上 迁移 吸附或通过反射 或脱附 过程离开表 面 而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平 衡区 使晶体生长过程接近于热力学平衡条件 即使每一个结合到晶格中的原子都能选择到一个自 由能最低的格点位置 才能生长出高质量的MBE 材料 MBE与其它传统生长技术 LPE, VPE等 相 比有许多优点 如在系统中配置必要的仪器便可 对外延生长的表面 生长机理 外延层结晶学质 量以及电学性质进行原位检测和评估; 它的生长速 率慢和喷射源束流的精确控制有利于获得超薄层和 单原子层界面突变的异质结构 通过对合金组分 和杂质浓度的控制 实现对其能带结构和光电性 质的 人工剪裁 从而制备出各种复杂势能轮 廓和杂质分布的超薄层微结构材料 目前 除研究型的MB E外 生产型的MB E 设备也已有商品出售 如Riber’s MBE6000和VG Semicon’s V150 MBE 系统 每炉可生产 9´4" 4´6" 或 45´2" 片 每炉装片能力分别为 80´6" 180´4" 片和 64´6" 144´4" 片 App lied EPI MBE’s GEN2000 MBE系统 每炉可生产 7´6" 片 每炉装片能力为 1 8 2 ´ 6 " 片 MBE还有利于同其它微细加工技术如 超微 细离子注入技术 扫描隧道电镜(ST M)技术 电 子束曝光技术和反应离子刻蚀及其图形化生长技术 相结合 以期实现近年来很受重视的纳米量子 线 量子点材料的制备 2.1.2 金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)技术[4,5] MOCVD或MOVPE是和MBE同时发展起来的 另一种先进的外延生长技术 MOCVD是用氢气 将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开 关网络送入反应室加热的衬底上 通过热分解反 应而最终在其上生长出外延层的技术 它的生长 过程涉及气相和固体表面反应动力学 流体动力 学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程 M OC VD 是在常压或低压 To rr 量级 下生长 的 氢气携带的金属有机物源 如 族 在扩散 通过衬底表面的停滞气体层时会部分或全部分解成 族原子 在衬底表面运动迁移到合适的晶格位 置 并捕获在衬底表面已热解了的 族原子 从 而形成 - 族化合物或合金 在通常温度下 MOCVD生长速率主要是由 族金属有机分子通过 边界层 停滞层的扩散速率来决定的 一般来 说 为了得到较好质量的外延层 生长条件要选 在生长速度的扩散控制区进行 也就是说外延生 长是在准热力学平衡条件下进行的 MOCVD的主要优点是适合于生长各种单质和 化合物薄膜材料 特别是蒸气压高的磷化物 高 Tc超导氧化物及金属薄膜等 另外 MOCVD用 于生长化合物的各组分和掺杂剂都是气态源 便 于精确控制及换源无需将系统暴露大气 生长速 率较MBE大以及单温区外延生长 需要控制的参 数少等特点 使MOCVD技术有利于大面积 多 片的工业规模生产 目前工业生产型MOCVD设 备已研制成功并投入生产 如AIX 2600G3 每炉 可生长 5 ´ 6" 或 9 ´ 4 " 片 每台年生产能力为 3 . 75´104片 4"或 1.5´104片 6" AIX 3000 每炉可生 长 5×10" 或 25×4" 或 95×2" 片的设备也已研制成 功 MOC VD技术的弱点除Mo 源和氢化物毒性 大 化学污染需倍加防范外 较高的生长温度使 材料纯度和界面质量与MBE相比要差 类似的技术还有化学束外延(CB E) [6 ,7 ] 金属 有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束 外延(G SMBE ) 这二者与 CB E不同 都使用部 分固态源 2.2 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制 备技术 利用MBE或MOCVD等技术首先生长半导体 微结构材料如 AlGaAs/GaAs 2DEG材料等 进 而结合高空间分辨电子束曝光直写 湿法或干法 刻蚀和微细离子束注入隔离制备纳米量子线和量子 点 利用这种办法 原则上可产生最小特征宽度 为 10nm的结构 并已制成具有二维和三维约束效 应的纳米量子线 量子点及其阵列 Semiconductor Technology Vol. 26 No. 2March 2001 15 上述方法的优点是图形的几何形状和密度 在分辨率范围内 可控 其缺点是图形实际分 辨率不高 因受电子束背散射效应等影响 一般 在几十纳米 横向尺寸远比纵向尺寸大 边墙 辐射 刻蚀 损伤 缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等 2.3 应变自组装纳米量子点 线 结构生长技术 异质外延生长过程中 根据晶格失配和表 面 界面能不同 存在着三种生长模式 [ 8 ] 晶格 匹配体系的二维层状 平面 生长的 Frank- Van der Merwe 模式;大晶格失配和大界面能材料体系的 三维岛状生长模式 即 Volmer-Weber模式 大晶 格失配和较小界面能材料体系的先层状进而过渡到 岛状生长的 Stranski-Krastanow(SK)模式 应变自组装纳米量子点结构材料的制备是利用 S K 生长模式 他主要用于描述具有较大晶格失 配 而界面能较小的异质结构材料生长行为 SK模 式生长的初始阶段是二维平面生长 通常只有几个 原子层厚 称之为浸润层 Wett ing layer 随着 浸润层厚度增加 应变能不断积累 当浸润层厚度 达到某一个临界厚度 t c 时 外延生长过程则由二维 平面生长向三维岛状生长过渡 实验上 可由 RHEED花样由条状向点状变化控制 三维岛状 生长初期 形成的纳米量级尺寸小岛周围是无位错 的 若用禁带宽度较大的材料将其包围起来 小岛 中的载流子将受到三维限制 小岛的直径一般为几 十 n m 高约几个 n m 通常称作为量子点 三维岛状生长的 t c 由异质外延材料晶格失配度 和生长条件 如衬底温度 / 比等 决定 控制失配层生长厚度和优化生长条件可制备出量子 点尺寸和分布均匀 £10% 密度为 108~1011cm-2 和无缺陷的量子点材料 这种方法的优点是可将 QDs的横向尺寸缩小到几十纳米以内 可做到无 损伤 缺点是量子线和量子点的几何形状 尺 寸 均匀性和密度较难控制 2.4 半导体纳米结构材料的其它制备技术 除上述的方法外 其它的制备技术主要有:在 图形化衬底和不同取向晶面上的选择外延生长技 术 如利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技 术 解理面再生长技术 高指数面生长技术等;在 沸石的笼子中或在碳纳米管中 通过物理或化学 方法制备量子点 线 技术以及采用苯热法制备 纳米半导体材料等 还应特别指出的是单原子操纵和加工技术 目前 利用 STM技术 不仅可以在电场蒸发作用 下从硅表面上移走单个 Si原子 将它放置在表面 任何位置 也可将这个 Si原子放入表面的单原子 缺陷中去 从而实现原子修饰等功能 [ 9] 单原子 操纵和加工技术虽已显示出诱人的前景 但距实 用化还有很长的路要走 如 用场发射 S T M 技 术 1ms写一个量子点 600ns写 400ns移动脉 冲 需 4个月才能完成 1TBit记忆芯片 106´106) 制备 显然 这是没有实用价值的 最近 已将 STM和MEMS结合起来形成了多元阵列 是这种 技术向实用化迈出的重要一步 3 纳米半导体材料的评价技术 随着材料尺寸减小到纳米量级范围时 现有 的基于反映体材料的宏观平均性质的实验技术都不 再适用 需要发展新的纳米尺度的测试技 术 下面作简要地介绍 3.1 STM和AFM原位检测技术[10,11] 扫描探针显微术是利用探针针尖与表面原子间 的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子 结构的 STM和AFM就是最近研制成功的这种技 术 STM 的工作原理是基于量子隧道效应 在金 属针尖与金属或半导体样品间加一偏置电压 且 当针尖与样品间距小于 1nm时 电子将穿透针尖 与样品表面间的势垒而产生隧道电流 由于隧道 电流与针尖和样品表面间距呈指数依赖关系 故 隧道电流对样品表面起伏非常敏感 STM实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针 尖在样品表面(x y)和垂直于表面的 z方向作三维 运动 从而实现对样品表面形貌的测量 STM的 工作模式可分恒高度和恒电流两种模式 恒高度 模式是保持针尖与样品表面距离 最大 一定 事实上当针尖在样品表面扫描时 针尖与样品表 面的间距将随样品表面起浮而改变 记录隧道电 流随 x和 y位置的变化轨迹 便可直接获得样品表 Semiconductor Technology Vol. 26 No. 2March 2001 16 面形貌 恒电流模式是在扫描过程中 利用反馈 电路在 z方向上控制针尖与样品间距 从反馈电压 随 x和 y位置变化获得样品表面形貌 前者和后者 分别适用于对平坦表面和起伏较大表面的测量 应当指出 STM 图像所反映的不是精确的样品表 面原子的实际位置 而是原子实际位置与表面电 子局域态密度的综合结果 AFM测量是将一个对微弱力敏感的悬臂一端 固定 另一端有一微小针尖 针尖与表面轻轻接 触 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极 微弱的排斥力(10 -8~10 -6N) 通过在扫描时控制这 种力的恒定 带有针尖的微悬臂将对应于针尖与 样品表面间作用力的等位面而在垂直于样品的表面 方向起伏运动 利用光学检测法或隧道电流检测 法 可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化 从而可以获得样品表面形貌的信息 3.2 HRTEM技术 高分辨透射电镜技术 特别是高分辨截面像 技术 不仅可用来对纳米尺度的材料结构进行分 析 而且还能提供多层结构 特别是界面原子排 列及缺陷行为的重要信息 它的缺点是试样制备 比较困难且是破坏性的 3.3 高空间分辨阴极荧光(EL)和SEM技术 在低温和高真空条件下 利用聚焦电子束作激 发源 对单个或几个量子点的发光行为进行实验研 究已有报道 例如用 3kV电压 电流为 60PA的电 子束作激发源 高对称的横向分辨约 50 nm 的束 斑 成功地对 I nA s 量子点的发光进行了实验研 究 直接证实了量子点的 d 函数的电子态密度 [12] 但电子束的辐照效应和注入载流子的扩散致 使对实验结果的分析带来不确定性 采用掩膜技 术也可对单个 量子点的发光行为进行实验研究 3.4 近场高空间分辨PL技术 近场 PL技术是一个正在发展中的技术 它不 受常规光学显微镜受光衍射极限 最小光束直径 »l /2 的限制 通过光纤有可能实现具有纳米量 级的光束直径光源 利用这种光源结合高灵敏的 光探测器可实现对单个量子点光学性质的研究 待 续 近日在北京召开了第二届 光纤网络接口设计 研讨会 ONIDS Asia 2001 安捷伦科技公司 所作的主题演讲受到了与会业界人士的热烈欢迎 会议的内容分为四个专题 首先 安捷伦介 绍了最新研制的可插拔小封装光模块HFBR-5720L 及其参考设计 该产品具有降低系统开发成本 安装简便及满足系统高速运行等优点 可使工程 师在设计千兆以太网系统时得到更大的灵活性 在题为 超越误码率 (Beyond Bit Error Rat io)的 专题讨论中 重点探讨了从误差分布分析中得出 的更新认识 同时介绍了安捷伦的误差分析仪器 - 86130A BitAlyzer; 第三个专题 高速光纤器件的 I B I S 模型 演示了应用于安捷伦光收发器及 Serdes芯片上的 IBIS模型的内涵 实施及应 用实例 进一步帮助系统工程专家了解了该模型 在高速光收发器电路设计上的实用性和快捷性 最后 由安捷伦的专家就千兆以太网空闲桢格式 的优化问题做了深入讲解 通过理论分析和仿真 实验 使与会代表对优化千兆以太网空闲桢格式 的原理 意义 解决方案有了更全面的认识 以 期在未来实践中取得最佳 EMC性能 与会的光通信专业人士纷纷表示 此次研讨 会带来了全新的理念 并为他们提供了一次了解 安捷伦科技 了解世界最前沿光通信技术发展趋 势的机会 安捷伦科技愿秉承一贯以客户为本的 企业文化 以精心准备的演示 深入浅出的讲解 和业界著名专家的问题解答为迎接新世纪新技术的 挑战谱写出新的篇章 安捷伦科技公司亚洲ONIDS 2001研讨会在京召开 迎接新世纪的新技术 新挑战 纳米半导体材料及其纳米器件研究进展 作者： 王占国 作者单位： 中国科学院半导体研究所，半导体材料科学实验室，北京 100083 刊名： 半导体技术 英文刊名： SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2001，26(3) 被引用次数： 10次 引证文献(10条) 1.林弥.张海鹏.吕伟锋.孙玲玲 基于RT器件的数据选择器和D锁存器设计[期刊论文]-科技通报 2009(1) 2.孙亮 基于<,QDQW>结构的量子点光放大器的增益特性[学位论文]硕士 2006 3.金峰.鲁华祥.李凯.陈涌海.王占国 量子点的原子力显微镜测试结果分析:数学形态学的实现[期刊论文]-半导体学报 2005(11) 4.金峰.鲁华祥.李凯.陈涌海.王占国 量子点的原子力显微镜测试结果分析:数学形态学的实现[期刊论文]-半导体学报 2005(11) 5.金峰.鲁华祥.李凯.陈涌海.王占国 量子点的原子力显微镜测试结果分析:数学形态学的实现[期刊论文]-半导体学报 2005(11) 6.王辉 HFCVD方法制备纳米SiC及其性质的研究[学位论文]硕士 2005 7.骆健.林弥.徐丽燕.王林.陈偕雄.金心宇 RTD电路的可测试性设计[期刊论文]-浙江大学学报（工学版） 2004(11) 8.林弥.沈继忠.王林 基于开关序列的RTD多值反相器设计[期刊论文]-浙江大学学报(理学版) 2004(1) 9.裴立宅.唐元洪.陈扬文.张勇.郭池 硅纳米线纳米电子器件及其制备技术[期刊论文]-电子元件与材料 2004(10) 10.邝小飞.金湘亮 集成电路技术发展的物理极限挑战与对策[期刊论文]-半导体情报 2001(5) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_bdtjs200103004.aspx 授权使用：中国科学技术大学(zgkxjsdx)，授权号：81398253-2d28-4724-9c6b-9e1f016d1175 下载时间：2010年10月30日