零维电子器件及其制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2014年5月26日递交的美国临时申请No. 62/002,997的权益。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及零维电子器件及其制造方法。本发明还涉及高度均匀量子点及在 半导体器件上生长量子点的方法。
【背景技术】
[0004] 量子点（QD)是非常细小的物质，小到使得高度凝聚于单一的点（S卩，零维）。因 此，量子点中的带电粒子（电子和空穴）被捕获或限制且它们的能级根据量子理论被完整 的定义。通常，量子点是纳米级的晶体，由数十个、数百个或数千个原子组成。量子点由半 导体、例如硅来制成。此外，虽然量子点是晶体，但其特性更接近于单独的原子。
[0005] 可以精确地控制量子点以使其在现实世界中具有广泛的应用。一般意义上来说， 如果原子被提供能量，它可以被激发（即，其中的电子被推进到高能级）。当位于高能级的 电子回到低能级时，原子会发射出光，当中光子的能量等于原子原始吸收的能量。原子发射 出光的颜色（即，波长和频率）取决于原子内部能级的排列方式。一般说来，不同的原子能 够发射出不同颜色的光。这是因为原子内部的能级有设定的值（即，它们被量化）。
[0006] 若是量子点完全一样，则它们有完全相同的量化的能级。然而，利用相同材料制作 的量子点根据量子点的大小会产生不同颜色的光。小的量子点具有较大的带隙，粗略地讲， 带隙是通过一种材料使自由电子带电所需要的最小能量，因此需要较多的能量来激发小的 量子点。由于发射出的光的频率与能量成正比，所以具有较高能量的较小的量子点产生较 高的频率和较短的波长，较大的量子点具有更大间距的能级并因此产生较低的频率和较长 的波长。
[0007] 因此，最大的量子点产生最长的波长（和最低的频率），而最小的量子点产生最短 的波长（和最高的频率）。这通常意味着大的量子点产生红光而小的量子点产生蓝光，而中 等尺寸的量子点产生绿光（和其他颜色的光）。
[0008] 近期，自组装的量子点的制造已经被广泛的研究，原因在于量子点有非常大的潜 力运用在尖端的光电子器件当中，例如激光、太阳能电池和发光二极管。严格意义上，量子 点的光电特性跟它本身的物理特性有关，例如尺寸、组成、张力、和形状，这些物理特性决定 电子和空穴限制潜力。因此，用于制造有源量子纳米结构的生长机制变得非常重要。
[0009] 在各种生长技术中，最普遍的方法是岛状与层状混合（Stranski-Krastanov，SK) 生长模式。SK生长模式基于自组装机制，且通常用于晶格失配系统，例如InAs(砷化铟）/ GaAs(砷化镓）系统。在SK生长中，半导体薄膜生长于半导体基底上，从而产生两种材料 的界面处的晶格失配。在外延生长过程中，中间层失配张力被部分释放，于是形成三维结 构。然而，量子点的形态和组成在沉积覆盖层过程中会有相当大的变化，这使得难以实现所 设计的特性。另外，由于不存在张力，所以这种技术不能用于晶格匹配的系统，例如GaAs/ AlGaAs(砷化铝镓）系统。
[0010] 在1993年，由Koguchi和Ishige第一次提出一项用于制造无张力GaAs/AlGaAs 量子点的可替选的、有价值的技术，称为液滴外延（DropletEpitaxy，DE)生长模式。与SK 技术相比，DE技术既可以用于晶格失配系统又可以用于晶格匹配系统，因此具有较高的设 计灵活性。在制作GaAs量子点的情况下，多个金属Ga(镓）液滴首先在As4(四砷）气体 不存在时于基底上形成。随后通过暴露于四砷气体，液滴结晶以形成砷化镓量子点。为了 维持镓液滴的原始形态，通常在低温（大约300°C)下形成Ga液滴。然而，如此低的温度通 常会造成在沉积AlGaAs覆盖层的过程中晶体质量及光学质量的衰退。此外，在砷化镓材料 掺杂碳原子时，该低温环境也强烈影响砷化镓材料的形成。
[0011] 已证明四砷气体的浓度和结晶温度会决定最终形态。例如，通常砷化镓量子点没 有掺杂碳原子且在结晶步骤在供应10 4~10 5托（Torr)四砷气体的情况下在低温（大约 100°C~200°C)下形成。在结晶步骤，在10 6~10 7托四砷气体下，在200°C~450°C生长温 度下，生成单量子环（QR)、双量子环或多量子环。在更高的结晶温度（T= 450°C~620°C) 下生长洞形纳米结构。
[0012] -系列过去的研究证明，实验条件能够决定最终结构。然而，仍存在一些缺陷。在 形成砷化镓量子点的情况下，为了维持镓液滴的原始形态，在低温下形成Ga液滴。这种低 温生长工艺通常会造成在沉积AlGaAs覆盖层的过程中晶体质量及光学质量的衰退。因此， 对于制造高质量的量子点，更多的研究工作仍然是有必要的。
[0013] 此外，对于研究半导体纳米结构中的新的物理现象，受限电子与束缚于受体杂质 的光激发的空穴之间的再结合具有很多优点。由于受束缚的空穴的能量被非常好地限定， 因此光致发光（PL)是电子状态的能谱的直接测量方式，而且空穴的定位释放k-保护规则， 使得能够调查电子状态的总电子密度。非常成功地使用该技术探测二维（2D)电子系统的 物理现象，从而导致朗道能级（Landaulevel)、Shubnikov-deHaas振动、分数量子霍尔效 应和Wigner结晶的光学调查。然而，至今还没有涉及零维（量子点）结构的进展。
[0014] 因此，需要一种由高度均匀的碳掺杂的GaAs和/或高度均匀的GaAs组成的新型 零维电子器件和制造该器件的方法。该新型零维电子器件具有广泛的应用，包括量子点激 光、太阳能电池、发光二极管、单一量子加密光源、量子比特、和量子逻辑兀件。
【发明内容】
[0015] 根据本发明，本文公开的半导体器件包括基底和量子点，其中，当在4开尔文的温 度下测量所述半导体器件时，所述量子点的光致发光光谱的峰值发射的半高宽（FWHM)小 于20毫电子伏特。
[0016] 另外，根据本发明，本文公开的半导体器件包括基底和量子点，其中，所述量子点 的光致发光光谱在红光区域具有超过两个峰。
[0017] 另外，根据本发明，本文公开了在半导体器件上生长量子点的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供应周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生长温度下，在所述基 底上生长周期表第三族-第五族材料的缓冲层；（d)降低所述生长温度到大约500°C; (e) 停止供应周期表第五族材料；（f)生长周期表第三族材料液滴；(g)降低所述生长温度到小 于大约400°C; (h)生长更多的周期表第三族材料液滴；以及（i)升高所述生长温度到介于 360°C到 450°C。
[0018] 另外，根据本发明，本文公开了在半导体器件上生长量子点的方法。所述方法包 括：(a)提供基底；(b)供应周期表第五族材料；（c)在大于500°C的生长温度下，在所述基 底上生长周期表第三族-第五族材料的缓冲层；（d)停止供应周期表第五族材料；(e)供应 周期表第二族材料或周期表第四族材料；(f)降低所述生长温度到小于大约200°C;(g)停 止供应周期表第二族材料或周期表第四族材料；以及（h)生长具有周期表第二族材料或周 期表第四族材料的周期表第三族材料液滴。
[0019] 应该理解，上述一般性的描述和以下详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，而 不对所要求的本发明的保护范围构成限制。
【附图说明】
[0020] 被并入并构成本说明书的一部分的附图示出多个实施方式。
[0021] 图1为示出示例性砷化镓量子点半导体器件的示意图；
[0022] 图2A为示例性砷化镓量子点的表面形态的原子力显微镜（AFM)图像，其中，扫描 面积为5微米X5微米，生长温度为360°C;
[0023] 图2B为示例性砷化镓量子点的表面形态的AFM图像，其中，扫描面积为1微米X1 微米，生长温度为360°C;
[0024] 图3为示例性砷化镓/砷化铝镓量子点的穿透式电子显微镜（TEM)图像；
[0025] 图4示出与砷化镓润湿层耦合的示例性砷化镓/砷化铝镓量子点的PL光谱，其 中，测量温度为4K(开尔文）和300K;
[0026] 图5示出在半导体器件上生长量子点的示例性方法；
[0027] 图6A-图6C示出在半导体器件上生长量子点的另一示例性方法；
[0028] 图7为示出示例性碳掺杂的砷化镓量子点半导体器件的示意图；
[0029] 图8为示例性碳掺杂的砷化镓量子点