低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国
低维材料的新研究进展
低维材料的新研究进展近年来，低维材料领域的研究备受瞩目。
低维材料是一种特殊的材料，具有非常薄的结构。
传统的三维材料将原子或分子密密麻麻地堆叠在一起，而低维材料则可以从中分离出一定数量的层，使其在表面区域中呈现出非常薄的结构。
由于低维材料具有许多特殊的物理和化学性能，因此在新型器件和技术的研究中呈现出巨大的潜力。
当前，对于低维材料的研究主要集中在二维材料、一维纳米线及零维纳米点等方向上。
其中二维材料是研究最为广泛的一类低维材料。
二维材料具有极高的比表面积和优异的机械强度，且是一类非常薄的材料，因此在能源、电子学、传感器等方向的研究中有着广泛应用。
Graphene是最早被发现的二维材料之一，可以形成高效的电子输运媒介和光学波导。
如果将几层或数十层的Graphene层状堆叠起来，就构成了一种叫做石墨烯多层片（Graphene Multilayer）的材料。
对于石墨烯多层片的研究目前正在进行中，研究人员尝试着用其替代石墨烯，从而更好地实现导电和隔热。
(1)除了Graphene，其他二维材料也备受关注。
MoS2是一种类石墨烯的二维材料，拥有非常高的电子迁移率。
当MoS2单层为p型半导体质量时，其具有非常好的理论性能。
人们重点研究了MoS2应用于场效应晶体管（FET）和光电器件的相关性质。
(2)除此以外，黑磷（Black Phosphorus）也是一种正在研究的二维材料。
黑磷是一种多种颜色的材料，其薄层结构有望在DNA分子、有机半导体和（有）机太阳能电池等领域得到广泛应用。
(3)与二维材料的研究相比，纳米线及纳米点的研究发展较慢，但也在逐步开展。
一维纳米线是指直径缩小到一维尺度的材料。
由于其与其外界环境的各项特性不同，因此似乎具有一些特殊的变化。
人们尝试从纳米线电极、基于核壳结构的静电聚集物、基于纳米线的半导体关元器件以及纳米线催化合成等方向对其进行研究。
(4)整体而言，近年来低维材料的研究进展迅速。
虽然这些新材料相对于传统材料更加具有难点和挑战，但是其独特的物性特征非常适合于许多新型科学技术的发展。
毕业论文----半导体热电材料的应用及研究进展
半导体热电材料的应用及研究进展物理与电子工程学院物理学（物理）专业 2009级袁仲富指导教师田德祥摘要：本文首先简单介绍了热电材料的三种效应以及半导体热电材料在热电发电和制冷方面的应用，然后重点介绍半导体热电材料国内外的研究进展及其方向。
关键词：半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值Abstract:This paper first introduces the three effect of thermoelectric materials and semiconductor thermoelectric materials on thermoelectric power generation and refrigeration applications，and then focuses on the semiconductor thermoelectric materials at home and abroad research progress and its direction..Key word:Semiconductor thermoelectric materials；The seebeck coefficient；Electrical conductivity；Thermal conductivity；Thermal power optimal value1 引言从1823年，Thoums Seebeck 发现了热电效应(即塞贝克效应[1])，人们开始了解热电材料，经过一百多年的研究，人们对热点材料的研究已经取得了长足的进展。
20世纪50—60年代，由于人们在热能电能相互转化特别是制冷方面的迫切要求，人们研究了很多有价值的热电材料，其中有很多热电材料得到了广泛的应用。
70年代以来，由于氟利昂制冷技术的发展，热电材料的研究几乎处于停顿状态。
近年来，氟利昂对环境尤其是对臭氧层的破坏被人们所认识，制造无污染，无噪声的制冷机成为了制冷技术的目标。
光电子低维结构材料和器件的发展
光电子低维结构材料和器件的发展近几十年来，光电子学领域得到了迅速发展，而光电子低维结构材料和器件作为其中的重要组成部分，也得到了越来越多的关注。
光电子低维结构材料和器件的开发，为光电子学的发展开辟了新的道路，具有广阔的应用前景。
光电子低维结构材料是指其厚度或尺寸在纳米和亚纳米尺度范围内的材料，包括二维材料（如石墨烯、二硫化钼等）、纳米线材料（如金属纳米线、半导体纳米线等）以及量子点材料。
这些材料具有特殊的电子结构和光学性质，因此在光电子学领域具有广泛的应用潜力。
首先，光电子低维结构材料在光电转换器件中的应用已经取得了重要的突破。
石墨烯作为最著名的二维材料之一，具有优异的电子传输性能和光学特性，可以用于制备高效的光伏电池和光电探测器。
此外，二硫化钼等二维材料也具有良好的光电特性，可以用于制备高性能的光电器件。
其次，光电子低维结构材料还在光电子器件中发挥重要的作用。
纳米线材料是一种具有高表面积和量子限制效应的材料，可以用于制备高效的光电子器件，如光电晶体管和太阳能电池。
另外，量子点材料是一种尺寸在纳米尺度的半导体团簇，具有量子限制效应和可调制的光学性质，已经在显示器、光电探测器和生物标记物等领域得到了广泛应用。
除了在器件中的应用，光电子低维结构材料还具有广泛的基础科学研究价值。
由于其特殊的电子结构和光学性质，这些材料在光电子学、量子电子学和纳米科学等领域的基础研究中具有重要的作用。
研究人员通过制备和改进光电子低维结构材料，并利用其独特的性质，可以揭示光与物质相互作用的本质，并为光电子学领域的进一步发展提供新的思路和方法。
然而，光电子低维结构材料和器件的发展面临一些挑战。
首先，如何制备大面积、高质量的低维结构材料仍然是一个难题。
虽然有许多制备技术已经被提出并取得了一定的进展，但仍然存在着一系列的制备难题，例如如何控制材料的厚度和尺寸，如何避免杂质的存在等。
其次，如何在器件中实现光电转换的最大效率仍然是一个挑战。
低维材料的光电物性及其应用研究
低维材料的光电物性及其应用研究低维材料指的是几何尺寸在纳米级别以下的材料，包括二维材料和一维材料。
由于其超薄的厚度和巨大的表面积，这些材料展现出了独特的光电物性，引起了科学家们的广泛研究兴趣。
本文将探讨低维材料的光电物性及其应用研究。
一、二维材料的光电物性1. 光学性质由于其强烈的量子尺寸效应，二维材料表现出了与体材料截然不同的光学性质。
例如，石墨烯的吸收系数极低，仅为0.5%，但其导电率却非常高。
因此，石墨烯被广泛应用于光学检测和传感器等领域。
2. 电学性质二维材料的电学性质也很特殊。
例如，石墨烯的电导率非常高，是铜的40倍，而且在低温下还表现出了电子无质量的行为，即狄拉克费米子。
这种特殊的电学性质使得石墨烯被广泛应用于电子器件领域。
3. 声学性质二维材料的声学性质也受到了广泛关注。
例如，石墨烯的机械性能非常好，其杨氏模量甚至比金刚石还高。
这种强度和韧性使得石墨烯被视为一种理想的非常规声学材料。
二、一维材料的光电物性1. 光学性质一维材料的光学性质也很有意思。
例如，纳米线的光学吸收率非常高，这可以用于制备高效的光伏电池。
此外，纳米线还可以通过表面等离子激元共振来实现超高增透率和增透角，从而有望用于制造高效的纳米光学器件。
2. 电学性质一维材料的电学性质也很有趣。
例如，碳纳米管的电导率极高，可以用于制备高性能的半导体器件。
此外，近年来，人们还发现了碳纳米管的“热电效应”，即在温差作用下，会产生电荷分离，用于制造高效的热电机。
3. 声学性质一维材料的声学性质也值得研究。
例如，纳米线和纳米管的声速非常高，这使得它们成为一种理想的声波导体和滤波器。
三、低维材料的应用研究1. 光电器件基于低维材料的光电器件有很多种，例如传感器、光伏电池、发光二极管等。
特别是石墨烯和碳纳米管，在光电器件领域有着非常广泛的应用前景。
2. 电子器件由于低维材料的独特电学性质，它们也被广泛应用于电子器件领域。
如基于石墨烯的场效应晶体管、基于碳纳米管的晶体管、以及一些新型存储器件。
低维半导体材料的制备及其性质研究
低维半导体材料的制备及其性质研究一、引言半导体材料是一类常见的电子材料，在现代电子技术和信息技术领域广泛使用。
在这一领域，低维半导体材料具有广阔的应用前景。
低维半导体材料是指在两个或三个维度上具有特殊性质的半导体材料，如二维（2D）材料和纳米线等。
本文将从低维半导体材料的制备方法、其物理和化学特性、及其在电子学和光学等领域的应用等方面进行深入探讨。
二、低维半导体材料的制备方法低维半导体材料的制备方法总结起来主要有以下几种：1. 手动剥离法手动剥离法是将单层的低维半导体材料从高质量晶体中用机械剥离的方法获取。
这种方法需要具有高质量单晶材料、宽带隙和可裂性等特殊性质。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法可以通过将低维半导体材料的前体化合物转化为气体形式，然后在衬底上沉积固体材料来制备低维半导体材料。
这种方法可以控制低维半导体材料的厚度、晶体质量和晶格取向等参数。
3. 海绵法海绵法是一种通过电势屏蔽、光化学反应或热化学反应等方法，将低维半导体材料以薄层的形式沉积在未处理衬底上的方法。
这种方法具有制备过程简单、成本低、适用于大面积制备等特点。
4. 真空热蒸发法真空热蒸发法是通过将低维半导体材料的前体材料在真空蒸发的条件下，冷凝在末端衬底的表面上，从而制备薄膜。
这种方法通常需要高真空环境、高温度和长时间的加热等条件。
三、低维半导体材料的物理和化学特性1. 电学性质低维半导体材料具有优异的电学性能，如高载流子迁移率、高电感、低噪音、高速度、低功率等。
这些优异的性能使得低维半导体材料在晶体管、传感器、以及超大规模集成电路等领域具有潜在的应用前景。
2. 光学性质低维半导体材料在光学领域具有独特的性质，如高光电响应、高塞贝克系数、高量子效率等。
这些性能使低维半导体材料成为具有活性的光学元件的理想选择。
3. 热学性质低维半导体材料具有良好的热学稳定性，通常具有高热导率、低热膨胀系数和优良的热稳定性能。
这使得低维半导体材料通常用于高功率电子设备的散热材料或高温电子元件。
低维材料的研究进展及其应用
低维材料的研究进展及其应用随着人类科技的不断进步，人们对于材料的研究也在不断深入。
在材料科学领域中，低维材料正变得越来越受到关注。
本文将从低维材料的概念、研究进展以及应用前景三个方面对低维材料进行探讨。
一、低维材料的概念“低维”是一个相对概念，它与“高维”相对。
在材料科学领域中，通常把三维结构称为高维结构，而二维和一维结构则是低维结构。
所以，低维材料通常是指二维或一维材料。
从材料学的角度来看，低维材料是指平面和一维链（或管）构成的材料，包括2D 材料（如石墨烯、硼氮化物等）、1D 纳米线（如半导体纳米线、碳纳米管等）等。
由于低维材料的特殊结构，它们拥有较大的比表面积、更多的表面活性位点、更强的光学、电学特性等。
二、低维材料的研究进展低维材料起源于半导体工业，但近年来，随着石墨烯的发现，低维材料研究成为科学研究的热点。
石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，具有很好的导电性、机械性和光学特性。
石墨烯的发现，推动了低维材料研究的快速发展。
近年来，研究人员不断探索各种低维材料的结构、性质及其应用，涌现出无数令人惊叹的研究成果。
（1）石墨烯以及类石墨烯材料作为最基本的低维材料之一，石墨烯的研究备受人们关注。
除了石墨烯以外，其他的类石墨烯材料（如硼氮化物、六角硼氮化物等）也受到了广泛的关注。
它们不仅具有机械强度和导电性等方面的优异性能，而且在光电领域的应用前景也非常广阔。
（2）二维金属氧化物二维金属氧化物（MXene）是由Mn+1XnTx片层构成的材料，其中M代表过渡金属，X代表碳、氮或氧，T代表表面官能团。
MXene材料的热稳定性、导电性、光学效应都非常优异，适用于电池、传感器等领域。
（3）1D 纳米线在低维材料中，1D 纳米线得到了广泛的应用。
由于其较小的直径和表面积以及良好的晶体品质，纳米线材料对于光学、电学和热学性质的改进效果显著，正成为新型传感器、光电传输设备和生物医学领域的前沿研究方向。
（4）其他低维材料此外，除了上述三类低维材料外，还有很多其他的低维材料也在持续探索中，如石墨烯氧化物、过渡金属二硫属化物等。
纳米半导体材料及其纳米器件研究进展
学和质量输运及其二者相互耦合的复杂过程 M OCVD 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
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 F rank - 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
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
目前 除研究型的 MBE 外 生产型的 MBE 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 182×6" 片
半导体材料的历史现状及研究进展(精)
半导体材料的历史现状及研究进展(精)半导体材料的研究进展摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。
半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。
本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。
关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势一、半导体材料的发展历程半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。
宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。
1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。
1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。
50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。
60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。
1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。
90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。
新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光通状态所需的能量。
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低维半导体结构材料及其器件应用研究进展中国科学院院士 王占国(中国科学院半导体研究所,北京100083)摘 要:人们预测,到2010年,以硅材料为核心的当代微电子技术的C MOS逻辑电路图形尺寸将达到0.05微米或更小。
到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。
从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。
为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应(如:量子尺寸效应、量子隧穿、量子相干、库仑阻塞和非线性光学效应等)的固态纳米电子、光电子器件与电路和基于单分子及大分子结构所特有性质的分子电子学受到了广泛的重视。
它们的研究与发展极有可能触发新的革命,应当给于充分的重视。
本文第一部分将简单介绍低维半导体结构材料的定义、性质及其在未来信息技术中的地位;第二、三部分分别讨论低维半导体结构的制备方法与评价技术;第四部分对近年来低维半导体结构材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展、存在的问题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,提出发展我国低维半导体结构材料及其器件应用的构想。
关键词:低维半导体结构 量子器件 1 引言低维半导体材料通常是指除三维体材料外的二维、一维和零维材料;二维超晶格、量子阱材料,是指载流子在二个方向(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(λd=h/2m＊E)或电子的平均自由程(L2D EG=hμq2πns)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微结构材料。
低维半导体微结构材料是一种人工可改性的(通过能带工程实施)新型半导体材料,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表现得越来越明显,这将从更深的层次揭示出低维材料所特有的新现象、新效应。
MBE、MOCVD技术,超微细原子加工和电子束光刻技术等的发展为实现低维材料生长,量子器件(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。
这类量子器件以其固有的超高速(1012～1013sec)、超高频(> 1000GHz)、高集成度(>1010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,极有王占国(WANG Zhanguo,1938.12.29-),男,河南省镇平县人,中国科学院院士,半导体材料物理学家。
1962年毕业于天津南开大学物理系。
现任中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家高技术新材料领域专家委员会委员,功能材料专家组组长。
王占国院士是我国半导体材料科学学术带头人之一。
他长期从事半导体材料及材料物理研究,在半导体深能级物理、光谱物理和低维半导体材料生长及性质研究中,取得了多项国际先进水平的成果,十多年来,在国内外学术刊物和国际会议发表论文170多篇。
研究成果曾获中国科学院科技进步一、二、三等奖和国家科技进步三等奖以及国家七五,八五重点科技攻关奖多项。
国家自然科学基金资助项目(No.69736010)。
可能触发新的技术革命,成为下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,加紧研究开发步伐,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 低维半导体结构的制备技术低维半导体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量子线和量子点结构材料的制备,第三,对近年来得到迅速发展的应变自组装制备量子点和量子点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,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;通过对合金组份和杂质浓度的控制,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。
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(STM)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量子线、量子点材料的制备。
2.1.2 金属有机化合物化学汽相淀积(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。
MOCVD是在常压或低压(Torr量级)下生长的,氢气携带的金属有机物源(如Ⅲ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Ⅲ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Ⅴ族原子,从而形成Ⅲ-Ⅴ族化合物或合金。
在通常温度下,MOCVD生长速率主要是由Ⅲ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;加之生长速率远较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(3″×15,4″×5等)MOCVD设备已研制成功,并投入生产。
MOCVD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,较高的生长温度会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(CBE)[6,7],金属有机化合物分子束外延(MOMBE)和气态源分子束外延(GS MBE)。
这二者与CBE不同,都使用部分固态源,前者是用Ⅲ族金属有机化合物(如:TMGa,TMIn等)取代Ⅲ族元素Ga,In等作源材料,后者则是用Ⅴ族氢化物取代固态Ⅴ族元素P,As等作为源材料。
对Ⅱ-Ⅵ族等其它材料体系的命名也类似。
2.2 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相结合的制备技术利用MBE或MOCVE等技术首先生长超晶格、量子阱器件结构材料如:AlGaAs/GaAs2DE G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量子线、量子点及其阵列。
表一给出了目前微细加工国内外所达到的水平。
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(受电子束背散射效应影响)不高(几十nm),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 应变自组装量子点结构生长技术外延生长过程中,根据晶格失配和表面、界面能不同,存在着三种生长模式[8]:a.晶格匹配体系的二维层状(平面)生长的Frank-Van der Merwe模式;b.大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长模式,即Vol mer-Weber模式;c.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(Wetting 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,V/III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108-1012cm-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,尺寸均匀性和密度难以控制。
表1 国内外细微加工水平方 法国 外国 内光学光刻技术0.25μ已用于VLSI 0.8-1μm已用于ULSIX光光刻技术最小线宽80nm,接触爆光可达10nm。
最好为:0.15-0.3μm电子束光刻技术(EBL)束斑Υmin≤1nm,采用PM MA胶已实现8nm图形制备。