纳米技术及其应用第六章.ppt

纳米技术及其应用,第六章 量子阱、量子线、量子点简介,量子阱、量子线和量子点的概念,量子点的制备方法,单电子晶体管,6.1 量子阱、量子线和量子点的概念6.2 量子阱中的量子尺寸效应6.3 量子点的类型及制备方法 6.4 量子点器件简介,6.1 量子阱、量子线和量子点的概念,Back,随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子化的态上。,量子阱 量子阱半导体中的二维电子气：电子一个方向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为量子阱。,如何获得上述结构呢？,具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱,量子阱结构：,衬底,a,b,A,B,采用分子束外延技术可以制备！,量子阱的能级图,分子束外延技术的原理,超晶格和多量子阱结构：,两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所说的超晶格或多量子阱结构。,多量子阱,超晶格,势垒较窄,势垒较宽,常见的2DEG结构：,调制掺杂技术制造的高迁移率晶体管示意图,量子线,衬底,量子线半导体中的一维电子气：电子只能在一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系统的结构称为量子线。,量子线的其它制备方法,三种量子线的制备方法（量子线的界面质量不相同）,量子点 量子点半导体中的零维电子气：电子在三个维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称为量子点。,量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为10nm1m，其中含有11000个可以被控制的电子。,点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可以制造量子点。量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性，称为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。,6.2 量子阱中的量子尺寸效应,Back,求解一维无限方势阱条件下的波动方程，可以得到电子能量本征值为：,E1,E2,E3,一维无限方势阱图,式中，n=1,2,3,-式（1）,0,Lz,Z,E,m 为电子质量；Lz为势阱宽度；n 为量子数；,一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数n2成正比！,能级间隔与势阱宽度的平方成反比，Lz越小，能级间隔就越大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的量子效应。,由式（1）,-式（2）,相邻能级间隔为：,具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱,6.3 量子点的类型及制备方法,Back,1、量子点的类型,按材料分,元素半导体量子点,化合物半导体量子点,金属量子点,按几何形状分,箱形,盘形,球形,四面体形,外场诱导形,2、量子点的制备,在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电极，加负压将电极下面的二维电子气耗尽，只有在栅的间隙区留下电子，从而获得量子点。,（1）在二维电子气系统上加调制电极,GaAs/AlGaAs异质结片子,Cr-Cu电极,Vp1和Vp3用来控制量子点与源和漏之间的耦合；Vp2控制两个量子点之间的耦合；Vg1、Vg2 和Vg3分别来控制两个量子点的尺寸（决定电子数的多少）,该方法的优点是：可以方便的控制量子点的尺寸、制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面，因而量子点的质量高。,缺点是：只能为一种载流子，不能同时为电子和空穴提供尺寸限制，所以只适用于制造低维电子器件。,外延生长：同质外延异质外延,（2）用分子束外延进行自组织生长,晶格失配度,晶格失配度:,薄膜的点阵常数,衬底的点阵常数,异质材料的外延生长模式有三种：,（2）用分子束外延进行自组织生长,（a）一层接一层的二维生长模式；,（b）岛状生长模式；,（c）层状加岛状生长模式（层岛结合模式）；（MBE S-K模式）,例如：InAs/GaAs量子点的MBE自组织生长。,InAs和GaAs这两种材料具有晶格失配度，其晶格失配度为7.1%，晶格失配度高，生长为层岛结合模式。,GaAs,GaAs,InAs,其外延生长可以描述为：二维平面生长（生长处的外延层称为浸润层）；浸润层厚度积累；浸润层达到临界厚度（约几个原子层厚），在应力作用下变为三维岛状生长。,自组织生长方法的特点：二维生长模式向三维生长模式的临界转变厚度取决于晶格失配度和生长条件，如衬底温度、生长速度等等。优点：可以将量子点的横向尺寸缩小到几十个纳米以内，做到无损伤。,缺点：小岛的成核点是在应变层生长过程中应力不均匀的地方产生的，同时岛的长大也是随机的，小岛的均匀性不好。因此，量子点的几何形状、尺寸分布和密度较难控制。,这种方法的特点：量子点尺寸可以小到210nm，平均量子点尺寸分布大约在510范围内，胶体量子点易于密集成量子点阵列，以形成晶态或非晶态的固体。,（3）用胶体化学方法制备,例如利用STM制备量子点,（4）其他方法,6.4 量子点器件简介,Back,这里只介绍几种简单的单电子器件：量子点激光器量子点旋转门单电子盒单电子泵单电子晶体管,注意：隧道结和量子点是单电子器件的基本单元！,量子点激光器 Laser:light amplification by stimulated emission of radiation“泵激”需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以引起并维持受激发射。,量子点激光器的制作源于：利用量子点结构具有很强的量子限制作用，当激光器已经缩小到甚至比它发射出来的光的波长还要小的尺度，在这一尺度上，量子行为开始占优势，可以制作高效率的激光器。,如果激光器的效率高到连一个光子也不浪费，就好像一根火柴的热量就可以烧开一壶水那将是多么让人激动啊！,最早的激光器,最早的激光器是将某种激光材料夹在两块反射镜之间，对该激光材料予以“泵激”使激光材料中的电子受到激发而从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反射的光子使其他的激发“电子”即处于较高能态的电子发射出相同的光子，很像炸响的鞭炮又引燃其它的鞭炮一样。受激发射！随着光子数目不断增加，它们就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增大，直到从两块反射镜之一射出一个集中的聚焦光束。,注意：传统的激光器产生的激光单色性虽然好，但不是所有的光子都被用于激光发射的任务中去了！有些光子碰到激光器壁变成热量散发出去了。,如何才能利用所有的光子，怎么办到不浪费能量呢？,看一个吉它弦的例子：,相类似，通过缩小激光器的尺寸可以限制光子状态的数目。这一微型化过程的最终极限是激光器发射的光的波长的一半（这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小尺度）。此时，光子只有一种可能的状态，光子别无选择，每个光子都只能加入到公共的波中。换言之，此时任何一个光子都不会被浪费掉，即此时的激光器是无能量阈的！因此，这样的量子点激光器的效率非常高！,量子点激光器在未来的光学计算机中具有多种多样的用途。,光学计算机用光代替电来传送、处理并存储信息，计算机的速度将被呈指数的提高了!,如果极少的能量就可以发射激光的话，量子点激光器就可以实现瞬时开关。（如果只用一根火柴就可以烧开一壶水的话，那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短！）已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关。因此，量子点激光器作为传送、存储并处理信息的元件（光学计算机中不可缺少的基本结构单元）具有巨大的发展潜力。,BUT 应该提及的是，由于制造工艺困难，研制水平还未达到理论预言！,量子点旋转门在异质结界面二维电子气上用两个量子点接触形成隧道结，它们之间分裂栅围成的空腔就是量子点岛区（见下图）。,当分裂栅上所加负电压足够高时，点接触的导电通道被切断，电子只能通过隧道效应进出量子点。这两个点接触实际上构成控制电子进、出分裂栅量子点的双势垒。量子点的栅压Vg则是加在异质结的衬底上，改变Vg可以改变岛区二维电子气的电荷密度，控制岛中电荷。,半导体量子点接触形成的单电子器件（量子点旋转门平面图）,量子点岛区,点接触,点接触,分裂栅,分裂栅,设想在控制电子进、出量子点的两个点接触上分别加相位相差180o的两个交流调制信号，使这两个势垒的高度交替地上抬或下降。同时，对量子点栅压也经过特殊设计，使得测量量子点的IV特性曲线时出现按ef量子化（f是交流调制信号的频率）。那么，这个器件就使得电子按照调制信号节奏有规律地进出量子点，就像人进入大厅时经过一座旋转门，按门的固定节奏循序进入一样。,单电子盒单电子盒是一种最简单的单电子器件，其“岛”上有整数n个过剩电子电荷，电子只能经过隧穿通过结才能进入或离开。利用门电压可以在单电子水平上控制岛上电荷。,单电子泵如下图所示：,单电子泵是以外加周期源作时钟信号来产生电流的，它需要两个门电压加rf 时钟信号。它是具有两个门的最简单的器件，可被视为通过结连接的两个单电子盒。它由三个结和两个门组成，门电容Cg1,Cg2远小于结电容C1,C2,C3。门电压可调控，V是常数偏压。,当然，基于量子点的单电子器件还有很多。例如：单电子晶体管、量子点网络自动机、量子点存储器、远红外光电导探测器、中红外光电导探测器等等。,单电子晶体管（SET）,20世纪80年代后期，介观物理研究的新成就是发现了库仑阻塞效应和单电子隧穿效应。单电子晶体管是一种新型的纳米结构器件，它设计和制造的基本原理就是库仑阻塞效应和单电子隧穿效应。,回忆一下库仑阻塞效应和单电子隧穿效应！,回忆观测到库仑阻塞效应和单电子隧穿效应的条件,SET一般由以下五部分组成：（1）库仑岛（或量子点）：由三维被势垒包围的极微小金属或半导体颗粒构成，它在某一方向上分别通过两侧的隧道势垒与源、漏区相连接；（2）隧道势垒：它可以由极薄的绝缘层构成，也可以由构成库仑岛的窄禁带半导体材料与构成源、漏区的宽禁带半导体材料之间形成的异质结势垒构成，还可以由界面态或外加电压等引起的势场构成；（3）势垒区：由较厚的绝缘层或宽禁带半导体材料构成；（4）栅氧化层：由几十纳米厚的氧化层或电介质层构成；（5）源、漏、栅极：由金属或掺杂半导体构成，与外部连接。,一、SET的构造,SET的基本结构形式（据微纳电子技术2002年第4期11-18页）,这种微电子器件呈现了电荷与能量量子化的特征,SET可由电子束纳米微刻技术加双角度金属热蒸发工艺制成：使用的硅基板上旋涂有两层感应膜，上层约60nm厚，由聚甲烯丙烯酸甲酯（PMMA）组成，下层约480nm厚，由甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物（MMA/MAA）组成，用电子束刻下样品的结构，在显影剂里冲洗完，便可以镀上金属薄膜。,二、SET的制作实例,首先，在垂直于基片的方向上镀上铝，形成库仑岛，一般岛的尺寸2.2m长，80nm宽，25nm厚；接着，在约7Pa的氧气环境下进行氧化过程；然后，往岛的方向上以45o角镀上第二层铝（约50nm），形成隧道结。,因为电子束微刻技术制成的隧道结很小，所以系统的总电容值C=C1+C2+Cg一般小于10-15F（即1fF）。在Q0CgVg=0的情况下，要向岛上加一个电子，即充以电量为e的电荷，所需的能量为Ec=e2/2C，这个势垒能被称为库仑阻塞能。因为C很小，所以Ec很高，在足够低的温度下，EckBT 这个势垒可以阻止电子隧穿上库仑岛，显示为库仑阻塞。即在Q0=0时，要使单电子隧穿上岛，在源上所加电压（V/2）必须克服Ec，Ve/C。当Q0=e/2时，岛上的电势也随着改变，Q=Ne和Q=(N+1)e的电子能态是简并的，库仑岛内的电子不需要跨越e2/2C的能量台阶，消除了库仑阻塞，电导出现极大值。这样就出现了I-V特征曲线库仑台阶。,三、单电子隧穿效应,在IQ0/e关系上表现为以e为周期的电流曲线，电流波峰位于半整数处。,单电子晶体管一般存在两种形式：一个是NNN态，即岛与导线都在正常态（N）;另一个是SSS态，即岛与导线都在超导态（S）。,四、电荷宇称效应,当库仑岛呈超导态时，整个系统的导电性质取决于岛上的电子数是奇数还是偶数。在偏压很小时，系统自由能Fsys为:,寄偶自由能差，导致宇称效应,（1）用 SET 制作下一代高速高密度 IC：SET是下一代高密度IC最佳候选器件之一；（2）超高灵敏度静电计：由于 SET 可以实现单电子导电，故适合作超高灵敏度的静电计，预计比现有的静电计提高灵敏度 1000 倍（只要“栅”电极上有e/2电荷量的改变，109电子/s的电流就可以流过器件）；（3）可实现单光子器件：由于 SET 可以实现单电子输运，若再用一单空穴器件（用 p型材料制作）与之相配合，则可控制单电子与单空穴复合，制作单光子发生器。（4）高灵敏度红外辐射探测器：已发现 SET在库仑阻塞阈值电压附近，隧穿电流对红外辐射感应非常灵敏也可称作“光致隧穿”效应。,五、应用,（1）化学自组装方法（2）利用纳米碳管的多种方法,六、单电子晶体管的其他制备方法,本 章 要 点 与 作 业,回答问题：量子阱、量子线和量子点的概念？量子点有什么用途？如何制备？查资料回答单电子晶体管如何制备，它有什么特性和应用？,第 六 章,Back,