本書主要以異質(zhì)結(jié)雙晶體管、高電子遷移率晶體管、共振遂穿電子器件、單電子輸運器件、量子結(jié)構(gòu)激光器、量子結(jié)構(gòu)紅外探測器和量子結(jié)構(gòu)太陽電池為主, 比較系統(tǒng)地分析與討論了它們的工作原理與器件特性, 并對自旋電子器件、單分子器件和量子計算機等內(nèi)容進行了簡單介紹。
低維量子器件是微納電子技術(shù)研究的核心，低維量子器件物理是現(xiàn)代半導體器件物理的一個重要組成部分。它的主要研究對象是低維量子器件的設(shè)計制作、器件性能與載流子輸運動力學等內(nèi)容。本書主要以異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、共振隧穿電子器件、單電子輸運器件、量子結(jié)構(gòu)激光器、量子結(jié)構(gòu)紅外探測器和量子結(jié)構(gòu)太陽電池為主，比較系統(tǒng)地分析與討論了它們的工作原理與器件特性，并對自旋電子器件、單分子器件和量子計算機等內(nèi)容進行了簡單介紹。
本書可作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生的專業(yè)課教學用書，也可供高年級本科生和相關(guān)領(lǐng)域的科技工作者閱讀和參考。
彭英才，河北大學電子信息工程學院教授，博士生導師，日本東京理科大學客座教授。多次赴日本豐橋技術(shù)科學大學、廣島大學和東京理科大學進行訪問研究。長期承擔半導體與微電子技術(shù)專業(yè)的研究生和本科生教學工作。主要從事納米半導體光電信息薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、光電特性與器件應(yīng)用的研究，在國內(nèi)外期刊上發(fā)表學術(shù)論文150余篇；作為第一編著者，出版學術(shù)專著3部：《納米光電子器件》、《納米太陽電池技術(shù)》和《硅基納米光電子技術(shù)》；研究生教材2部：《低維量子器件物理》和《低維半導體物理》。
趙新為，1988年獲日本東京大學工學博士學位。現(xiàn)任日本東京理科大學教授，博士生導師，物理系主任。兼任法國路易帕斯特大學特聘教授，天津大學特約教授，日本東洋大學、河北大學、四川大學和西華大學客座教授。長期從事納米半導體材料、納米磁性材料、光磁半導體材料、太陽能電池、超低溫和超強磁場物理等領(lǐng)域的研究。主持和參與了包括日本文部科學省和中國科學院“百人計劃”在內(nèi)的科研基金課題多項。在國際期刊上發(fā)表論文100余篇，在國際會議上發(fā)表論文100余篇，獲技術(shù)專利15項，出版學術(shù)專著6部。
傅廣生，教授，博士生導師，河北省管優(yōu)秀專家，燕趙學者，享受國務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任河北工業(yè)大學校長。長期從事光與物質(zhì)相互作用和光電信息材料領(lǐng)域的研究與教學工作，在Physical Review Letters、Applied Physics Letters、《科學通報》和《中國科學》等國內(nèi)外學術(shù)期刊發(fā)表論文150余篇，研究成果多次被國內(nèi)外同行引用。1991年獲得國家“做出突出貢獻的中國博士/碩士學位獲得者”榮譽稱號，并獲多項河北省科技進步獎和優(yōu)秀教學成果獎。兼任中國物理學會理事、中國光學學會理事、國家教育部科學技術(shù)委員會數(shù)理學部委員與河北省物理學會理事長。
第1章 緒論
半導體科學技術(shù)發(fā)展的宗旨就是利用不同半導體材料所具有的物理性質(zhì),設(shè)計和制作各種固態(tài)電子器件與集成電路.這些器件與電路是組成通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和各種電子裝置的心臟.性能優(yōu)異的半導體器件的實現(xiàn),有賴于高質(zhì)量半導體材料的制備、合理器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化工藝條件的選取.按照材料結(jié)構(gòu)的不同,半導體器件可分為晶態(tài)半導體器件、非晶態(tài)半導體器件、超晶格與量子阱器件、量子線與量子點器件、寬帶隙半導體器件以及有機半導體器件等;按功能特性的不同,半導體器件又可分為電子輸運器件和光電子器件等;而按照物理效應(yīng)的不同,半導體器件又可分為經(jīng)典體效應(yīng)器件和納米量子效應(yīng)器件等.正是這些性能優(yōu)異的各類固態(tài)電子器件及其集成電路,在通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電子線路技術(shù)中發(fā)揮著巨大作用,從而極大地促進了整個信息科學技術(shù)的迅速發(fā)展.
納米量子器件一般是指采用半導體異質(zhì)結(jié)、超晶格、量子阱、量子線和量子點等低維結(jié)構(gòu),設(shè)計制作的具有某些量子效應(yīng)的電子器件,也可稱為低維量子器件.如上所述,這種器件又大體可分為電子輸運器件和光電子器件兩大類.所謂電子輸運器件是指在外電場作用下,其工作特性由載流子的輸運行為支配的電子器件.例如,異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、共振隧穿晶體管(RTT)和單電子晶體管(SET)均屬于這類器件;而光電子器件是指在光照和電場作用下,工作特性基于載流子的光吸收躍遷或發(fā)射而實現(xiàn)的電子器件.例如,量子阱和量子點激光器、量子阱和量子點光探測器、量子阱和量子點太陽電池以及單光子器件都屬于這一類.
在正式分析與討論各種低維量子器件之前,不妨簡單回顧一下上述各種低維量子器件的發(fā)展歷程,這對我們深入理解其工作原理與器件特性將會大有裨益.
1.1 低維量子器件的發(fā)展歷史
1.1.1 低維電子輸運器件
HEMT可以說是最早研制成功的低維電子輸運器件,它是利用調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣所具有的高電子遷移率制作的超高速邏輯器件.20世紀70年代初,分子束外延(MBE)技術(shù)的研發(fā)成功,開辟了利用能帶工程剪裁材料能帶結(jié)構(gòu)的新時代.此后不久,人們便利用MBE工藝生長出了高質(zhì)量的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)和超晶格.尤其是1978年,美國貝爾實驗室的Dingle等[1] 首次觀測到了調(diào)制摻雜n-AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中電子遷移率增強的現(xiàn)象,即刻引起了人們的廣泛關(guān)注.1980年,日本富士通公司的Mimura等[2] 率先采用這種結(jié)構(gòu)成功研制了第一只HEMT.其后的幾年間,世界各國科學家又進行了一系列的理論與實驗研究,其主要思路是如何通過優(yōu)化n-AlGaAs層的摻雜濃度和本征AlGaAs隔離層厚度,以獲得最高的電子遷移率.換句話說,就是如何最佳化AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣面密度,以在低溫乃至室溫下得到預(yù)期的高遷移率值.經(jīng)過人們的嘗試與探索,在短短的幾年內(nèi)便使HEMT的低溫電子遷移率提高到了～106cm2/(Vs).與此同時,HEMT環(huán)型振蕩器、HEMT分頻器、大功率HEMT、低噪聲HEMT及其集成電路也相繼問世.
與HEMT相比,HBT的發(fā)展經(jīng)歷了一個暗淡時期.早在1951年,Shockley就提出了采用異質(zhì)結(jié)制作雙極型晶體管的概念.但是,由于當時受材料制備和器件制作工藝技術(shù)的限制,這種器件問世的構(gòu)想未能如愿以償.1983年,Kroemer[3] 首先從理論上分析了HBT的電流增益特性,從此揭開了HBT研究的序幕.然而,真正給HBT的研究發(fā)展帶來活力的應(yīng)歸功于具有原子級平滑程度,且組分和厚度能夠精確控制的MBE等超薄層外延生長技術(shù).采用這些方法能夠獨立地控制材料的禁帶寬度和摻雜濃度,它既能使HBT基區(qū)獲得高摻雜濃度,又可以使基區(qū)獲得0.1μm左右薄的厚度,甚至還可以通過進一步優(yōu)化基區(qū)能帶形式,實現(xiàn)載流子的彈道輸運或隧穿輸運,從而使它成為繼HEMT之后的另一種高速邏輯器件.目前,這類器件也已在振蕩器、分頻器、移位寄存器、門陣列、大功率器件及其集成電路中獲得成功應(yīng)用[4].
共振隧穿電子器件是對半導體超晶格施加一垂直電場時,電子橫穿勢壘結(jié)構(gòu)的電子輸運器件.早在1969年,江崎和朱兆祥在提出半導體超晶格概念的同時,就曾預(yù)測到了在這種多層超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生共振隧穿現(xiàn)象.1974年,張立綱等[5] 首次利用MBE技術(shù)制作成功了AlGaAs/GaAs雙勢壘結(jié)構(gòu),并實驗觀測到了這種結(jié)構(gòu)中的共振隧穿現(xiàn)象,從而開辟了超晶格垂直電子輸運研究的新局面.1983年,首例采用MBE工藝制備的共振隧穿二極管(RTD),在太赫茲頻率下觀測到了負微分電阻(NDR)現(xiàn)象[6].這一研究結(jié)果大大鼓舞了人們的信心,其后又提出了研制共振隧穿晶體管的設(shè)想,以期利用共振隧穿具有大電流峰?谷比的NDR特性,制作多穩(wěn)態(tài)器件,并使之用于多值邏輯存儲電路系統(tǒng).迄今,對共振隧穿電子器件的研究相當廣泛,已開發(fā)成功的器件主要有振蕩器、邏輯門、頻率倍增器以及存儲器等[7].
單電子器件的研究發(fā)端于納米半導體結(jié)構(gòu)中的庫侖阻塞現(xiàn)象.1989年Scott-Thomas等[8] 發(fā)現(xiàn),對于由Si表面反型層構(gòu)成的窄一維溝道結(jié)構(gòu),在電導隨柵偏壓的變化曲線上呈現(xiàn)出了周期性振蕩行為.接著,他們又在倒置的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)制成的一維量子線電導的測量中,重復(fù)了上述結(jié)果.此后不久,Kouwenhoven等[9] 采用分離柵技術(shù),利用半導體異質(zhì)結(jié)試制成功了能控制單個電子進出的新器件,并稱此為量子點旋轉(zhuǎn)門(QDTS)器件.納米結(jié)構(gòu)或量子點中的這種庫侖阻塞效應(yīng)不僅是一種十分有趣的物理現(xiàn)象,而且蘊含著潛在的應(yīng)用前景.在納米技術(shù)的推動下,一門以單電子物理學為基礎(chǔ)的納米電子技術(shù)應(yīng)運而生.迄今,人們已采用各種材料體系和結(jié)構(gòu)制備了量子點、納米晶粒、納米線陣列等零維隧穿異質(zhì)結(jié)構(gòu),在低溫和室溫條件下均觀測到了明顯的庫侖阻塞和單電子隧穿振蕩現(xiàn)象,并試制成功了單電子晶體管.盡管目前尚無實用化的單電子器件問世,但是隨著納米電子學研究的不斷創(chuàng)新與突破,能夠真正造福于人類的單電子器件以及集成電路,將會為信息科學技術(shù)的發(fā)展帶來一場新的革命.
1.1.2 低維光電子器件
低維光電子器件主要是指具有優(yōu)異光發(fā)射特性的量子結(jié)構(gòu)激光器和具有良好光吸收特性的量子結(jié)構(gòu)紅外光探測器和量子結(jié)構(gòu)太陽電池等.量子阱激光器是最早被研制成功的低維光電子器件,世界上首例量子阱激光器是1975年由美國貝爾實驗的VanderZiel等試制成功的[10].1981年,該實驗室的Tsang[11] 又研制成功了閾值電流密度低達0.25kA/cm2 的量子阱激光器.其后,隨著光通信向長距離和大容量方向發(fā)展,需要高性能的半導體激光器光源.1992年,美國加利福尼亞理工大學的科學家采用短諧振腔和激光端面的高反射率設(shè)計方案,獲得了閾值電流低達0.25mA 的量子阱激光器.同年,日本的NEC公司采用面發(fā)光型結(jié)構(gòu),又使量子阱激光器的閾值電流降低到了0.19mA.其后,隨著MBE技術(shù)的日臻完善和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的進一步優(yōu)化,各種材料體系和異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的量子阱激光器不斷涌現(xiàn),而且激射性能大大提高[12].
量子線與量子點激光器的概念,最早是1982年由日本東京大學的Arakawa等提出的[13].他們預(yù)言,由于量子線和量子點比量子阱具有更強的量子限制效應(yīng),因此由它們制作的激光器會具有更低的閾值電流密度,而且同溫度的依賴關(guān)系也會進一步減弱.但是,由于量子線和量子點在制備工藝上所存在的困難,人們一直沒有能夠真正制作出這類低維結(jié)構(gòu)激光器.直到20世紀90年代初期,才陸續(xù)有一些關(guān)于這方面的報道[14,15].但是,早期的量子線和量子點激光器,都是采用對量子阱結(jié)構(gòu)進行再蝕刻方法制作的.這種工藝有一個致命弱點,就是在蝕刻過程中會在量子線或量子點表面產(chǎn)生許多缺陷與損傷,同時襯底表面的空間利用率也比較低,這對產(chǎn)生光激射是非常不利的.后來,人們開始探索量子點的自組織生長技術(shù),即利用生長材料與襯底間具有一定晶格失配度的特點,采用MBE方法并基于S-K模式成功生長出了具有一定密度分布和尺寸趨于均勻的量子點及其陣列.1994年,第一只InAs/GaAs量子點激光器研制成功,從而大大激發(fā)了人們研制量子點激光器的熱情.其后,各種材料體系和波長激射范圍的量子點激光器相繼問世,并成為低維光電子器件發(fā)展的主流[16].
由于紅外探測器在夜視、跟蹤、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測和空間科學等方面的廣泛應(yīng)用,而受到人們的普遍重視.在過去的30年間,窄帶隙的HgCdTe單元紅外探測器已經(jīng)獲得了成功應(yīng)用.但是,在開發(fā)多元陣列探測器的過程中,HgCdTe單元探測器遇到了很大困難.1987年,Levine研究小組首先在AlAs/GaAs摻雜量子阱中觀測到了波長為8.2μm的強子帶中紅外吸收,并試制成功了AlGaAs/GaAs共振隧穿紅外探測器.1988年,他們又研制成功了由束縛態(tài)到擴展態(tài)躍遷的多量子阱紅外探測器,從而使長波長量子阱紅外探測器的性能跨上了一個新臺階.但是量子阱紅外探測器的最大不足是由于躍遷選擇定則,不能探測垂直入射的光,一般在紅外區(qū)只有比較窄的光譜響應(yīng).而量子點是一種具有三維量子限制效應(yīng)的低維體系,其類δ函數(shù)狀的態(tài)密度使其對垂直入射光具有敏感的響應(yīng)特性,而且任何偏振的紅外光都可以誘導子帶間躍遷的發(fā)生,因此,量子點探測器是一種更有發(fā)展前景的紅外探測器.自從1998年以來,人們已先后研制成功了InAs/GaAs和InGaAs/GaAs量子點探測器、AlGaAs/InGaAs/AlGaAs雙勢壘隧穿結(jié)構(gòu)量子點探測器、Ge和Si量子點紅外探測器、高溫量子點探測器、量子點/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)紅外探測器以及GaN納米結(jié)構(gòu)光探測器等[17].
太陽能的利用和開發(fā)是人們在面臨環(huán)境不斷惡化和能源日漸短缺的形式下提出的一個新課題.迄今,單晶Si和多晶Si及其Si基薄膜太陽電池的發(fā)展早已產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化.近年來,人們又提出了所謂第三代太陽電池的概念,即高效率、低成本、長壽命、無毒性和高可靠性太陽電池.實現(xiàn)這種近乎理想化太陽電池的途徑之一,便是采用量子阱或量子點這類低維結(jié)構(gòu).采用量子阱結(jié)構(gòu)的主要物理依據(jù)是,由于其中的量子阱層厚度和組分可以靈活調(diào)節(jié),因而可以獲得最佳的帶隙能量,以滿足太陽電池對不同波長的光吸收.2000年,Aperathitis等[18] 采用AlGaAs/GaAs體系試制成功了世界上首例量子阱結(jié)構(gòu)太陽電池,其轉(zhuǎn)換效率可達9%.日本豐田工業(yè)大學的Yang等[19] 采用MBE技術(shù)研制了InGaAs/GaAs多量子阱太陽電池,其AM1.5照度下的能量轉(zhuǎn)換效率為18%.英國倫敦帝國大學的Bushnell等[20] 采用GaAsP/InGaAs應(yīng)變超晶格所制作的多量子阱太陽電池,AM1.5照度下的能量轉(zhuǎn)換效率為21.9%.近年來,隨著對量子點物理研究的不斷深化和量子點自組織生長技術(shù)的逐漸成熟,又開始了對量子點太陽電池的探索研究.人們試圖利用量子點或納米晶粒這類零維量子結(jié)構(gòu)所具有的量子限制效應(yīng)和能級分立特性,尤其是它們所呈現(xiàn)的多激子產(chǎn)生(MEG)效應(yīng)設(shè)計太陽電池,從而使其能量轉(zhuǎn)換效率得以超乎尋常的提高,其理論極限值可達66%.目前,人們已理論和實驗研究了PbS、PbTe、PbSe、CdS、Si等量子點中的多激子產(chǎn)生效應(yīng)及其物理機制,均獲得了多激子產(chǎn)生的實驗結(jié)果.最近,Choi等已采用PbSe量子點制作了首例多激子太陽電池,其能量轉(zhuǎn)換效率為3.4%[21].
1.2 低維量子器件的未來預(yù)測
自從20世紀40年代末期晶體管發(fā)明以來,半導體器件的發(fā)展已走過了60多個春秋.縱觀它的發(fā)展歷史可以看出,每伴隨著一次材料制備技術(shù)的革新,就會有一批新的器件誕生.例如,50年代氣相外延和液相外延工藝的出現(xiàn),使Si和GaAs半導體器件在60年代獲得了迅速發(fā)展,70年代MBE和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝的開發(fā),使半導體超晶格與量子阱器件在80年代相繼研制成功;而90年代自組織生長技術(shù)的出現(xiàn),又使各類量子點電子器件應(yīng)運而生.進入21世紀以來,同時出現(xiàn)了多元化半導體器件競相發(fā)展的新局面.可以預(yù)期,在今后的幾十年中,單電子器件、單光子器件、有機單分子器件、光子晶體器件、自旋電子器件和各類量子信息處理器件及其集成電路,將會為信息科學技術(shù)的發(fā)展帶來新曙光.
1.2.1 納米光子器件
納米光子器件是基于光子的吸收、躍遷、復(fù)合等性質(zhì)研發(fā)的發(fā)光二極管、激光器、紅外探測器、光開關(guān)、光波導、單光子器件、光學微腔以及光子帶隙晶體等.強三維量子限制效應(yīng)和類δ函數(shù)狀電子態(tài)密度,使量子點激光器具有比量子阱激光器更好的激射特性.尤其是低閾值電流密度的InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs以及InAlAs/GaAIAs量子點激光器的研究已取得了良好進展.利用電激發(fā)或光激發(fā)實現(xiàn)的單光子器件,在量子暗號通信中具有重要的實際應(yīng)用.采用InAs量子點的周期多層膜結(jié)構(gòu),在光激發(fā)和電注入條件下實現(xiàn)了具有短共振腔長度和高品質(zhì)因子的單光子產(chǎn)生器件.此外,采用單電子晶體管的遠紅外單光子探測器件也已試制成功,該器件的最高靈敏度可達10.21 ～ 10.22W/Hz1/2,此值為目前遠紅外光探測器最高值的103 ～104 倍. 光子晶體在光電子器件方面主要有三種應(yīng)用[22]：介電反射鏡用于對光進行反射;共振腔用于俘獲光;光波導用以傳輸光信息.迄今,利用二維光子晶體已制成表面發(fā)射的激光器.尤其值得注意的是,利用光子晶體還可以仿照半導體超晶格與量子阱那樣制成光量子阱結(jié)構(gòu),并通過調(diào)整阱寬得到不同的光子束縛態(tài)等光子效應(yīng).有人預(yù)言,光子晶體會在光子學和光電子學的發(fā)展中發(fā)揮重要作用,甚至會具有某種革命性的意義.
1.2.2 磁性納米器件
磁性納米器件也是一類值得引起足夠重視的納米量子器件,而這類器件的物理基礎(chǔ)則是近年來發(fā)展起來的自旋電子學.由載流子的向上或向下自旋與磁性雜質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生一系列與自旋相關(guān)的效應(yīng),據(jù)此可以設(shè)計新型磁性納米量子器件.一般來說,自旋器件有兩類：一類是由鐵磁材料組成,如自旋閥、磁隧道結(jié)、巨磁阻隔離器以及磁阻隨機存儲器等;第二類是稀釋磁性半導體,它們具有一系列嶄新的物理性質(zhì),如電子態(tài)的塞曼分裂、自旋電子極化、電子注入與輸運等.預(yù)計利用自旋傳遞信息,將在量子計算和量子通信中具有良好的應(yīng)用前景[23].從自旋極化輸運和能帶不連續(xù)性可調(diào)的角度而言,由稀釋磁性半導體組成的超晶格或異質(zhì)結(jié)是非常吸引人的.如對于II型InAs/GaMnSb超晶格來說,自由電子位于InAs層中,而自由空穴處于GaMnSb層中.在外磁場作用下,GaMnSb層中由于塞曼分裂會引起導帶和價帶中能級的分裂,結(jié)果使結(jié)構(gòu)變?yōu)閷щ娀蛘呓^緣的,并且可在一層中產(chǎn)生具有一定自旋極化的電子或空穴,由此而產(chǎn)生特異的輸運和光電性質(zhì).
1.2.3 有機納米器件
近年來,隨著分子電子學、碳納米管以及有機薄膜材料研究取得的長足進展,有機納米材料及其相關(guān)器件的研究也引起了材料物理與化學家們的普遍重視.這類器件大體由兩類組成,即由碳納米管制作的功能器件以及利用有機納米薄膜或單分子制作的量子器件.碳納米管呈現(xiàn)出非常獨特的電子性質(zhì),其電子結(jié)構(gòu)可以顯示出金屬性質(zhì),也可以顯示出半導體性質(zhì),此取決于其直徑、螺旋度和單壁或多壁等結(jié)構(gòu)形式.不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、邏輯門和線路的連接元件,用來建立異質(zhì)結(jié)構(gòu).對單根單壁碳納米管的電導測量發(fā)現(xiàn),量子相干可在整根管上維持,表現(xiàn)出一維量子線的特性和庫侖阻塞現(xiàn)象.因此,采用碳納米管作為有源區(qū),已制成了能在室溫下工作的單電子晶體管.更進一步的目標則是追求實現(xiàn)將單根碳納米管在芯片上組成,并組成能展示數(shù)字邏輯功能的電路,其發(fā)展前景是十分誘人的.
隨著有機半導體材料與器件,尤其是有機電致發(fā)光器件所取得的研究進展,基于有機分子和有機納米團簇的納米器件的研究也初露端倪.這些器件包括有機薄膜晶體管、有機分子存儲器、單分子電子器件及其集成電路等[24].將有機分子用于納米電子器件的研究有兩個主要優(yōu)點：一是器件尺寸可以顯著減小,即隧道結(jié)電容足夠小;二是可以使單電子器件在較高的溫度下進行工作,如基于單分子有機團簇和采用雙隧穿結(jié)構(gòu)的可工作在室溫下的單電子晶體管已經(jīng)試驗成功.單分子層石墨烯所具有的優(yōu)異特性,也將使其在未來的單分子器件中一展風彩.
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