[發明專利]一種銻化物量子點超晶格結構及其生長方法

有效

• 申請號: 201910187930.5
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109950303B
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 于天;劉舒曼;寧超;徐波;劉峰奇;陳涌海;王利軍;劉俊岐;張錦川;卓寧;翟慎強;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L29/15
• 分類號: H01L29/15;H01L21/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種銻化物量子點超晶格結構及其生長方法，該銻化物量子點超晶格結構包括：一襯底；外延在襯底上的一層或多層緩沖層；在緩沖層上沉積Sb形成的一銻化物過渡層；外延于過渡層上的一銻化物量子點層；外延于量子點層上的一抑制層；以及，外延于抑制層上的一層或多層砷化物蓋層。由于該銻化物量子點超晶格結構中引入了抑制層，如若在該結構上繼續生長新的砷化物蓋層，則能隔絕蓋層中As與銻化物量子點中Sb的接觸，有效抑制在銻化物量子點上生長砷化物蓋層時As與Sb之間發生的交換現象，獲得高質量的銻化物量子點超晶格結構。

技術領域

本發明屬于半導體低維結構材料外延生長技術領域，尤其涉及一種銻化物量子點超晶格結構及其生長方法。

背景技術

半導體異質結的能帶排列方式通常決定了異質結構的電學和光學性質，圖1給出常見I型和II型異質結能帶排列方式的示意圖，灰色區域為半導體材料的禁帶。以GaSb/GaAs量子點為代表的銻化物量子點具有特殊的II型異質結能帶特征，如圖1右側所示。具體表現在，空穴限制在能量較低的GaSb量子點中，電子通過庫倫引力位于量子點外圍的GaAs基質中，電子和空穴在空間上是分離的，波函數重疊小，載流子輻射復合壽命遠遠大于圖1左側所示常見的I型量子點。由于GaSb和GaAs的價帶帶階很大，因而空穴在GaSb中的限制能很大，理論上可以將GaSb/GaAs量子點引入場效應晶體管結構中，通過外加偏壓，使空穴注入量子點實現數據的寫操作，測量溝道中的電流實現數據的讀取操作，或者外加反向偏壓將空穴抽離出量子點實現數據的擦除操作。

該新型量子點存儲機制有可能同時具備目前DRAM存儲器的高速特征和Flash存儲器存儲時間長的特征，盡管其理論結構和原型器件很早就被提出并被研究，但是至今沒有實現真正的室溫工作存儲器，主要原因是在器件結構中生長GaSb量子點后，繼續生長上面的砷化物蓋層材料形成超晶格以完成整個器件結構時，蓋層的As和量子點中的Sb發生嚴重的交換互混，使得量子點幾乎消失。如圖3的原子力顯微鏡(AFM)圖像所示，我們生長了GaSb量子點后用現有技術在表面僅覆蓋了1nm的GaAs，就變成了條紋狀的形貌，具有GaAsSb/GaAs的特征，即大量的As進入GaSb量子點中。Martin等人在Appl.Phys.Lett.V 12，113103，2013的文章中用掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)觀察覆蓋了GaAs的GaSb量子點截面，發現GaSb量子點中心部分的Sb幾乎都被As取代，只留下周圍一圈的GaSb，被稱為量子環，其尺寸和形貌都不易控制。因此，要實現GaSb量子點的優異器件性能，亟待解決GaSb/GaAs量子點超晶格結構生長中As與Sb交換的問題。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種銻化物量子點超晶格結構及其生長方法，有效抑制在銻化物量子點上生長砷化物蓋層時As與Sb之間發生的交換現象，獲得高質量的銻化物量子點超晶格結構。

(二)技術方案

本發明提供了一種銻化物量子點超晶格結構及其生長方法，其結構具體包括：

一襯底；

一緩沖層，為一層半導體材料或兩層不同的半導體材料，其外延于襯底上；以及

一量子點超晶格區，由多個量子點超晶格層組成，具體包括：

一過渡層，其外延于緩沖層上；

一量子點層，其外延于過渡層上；

一抑制層，其外延于量子點層上；以及

一砷化物蓋層，為一層砷化物材料或兩層不同的砷化物材料，其外延于抑制層上。