零维电子器件及其制造方法_3

文档序号:9525716阅读:来源:国知局
644中,开始生长另一 40纳米的砷化铝镓覆盖层。
[0058] 图6A-图6C中示出的一些步骤可以重复,以生长更多的量子点层。例如,在形成 另一周期为150的超晶格后,用和内部量子点相同的条件,在半导体器件的表面,形成第二 量子点层,以使用AFM研究内部量子点的表面形态,同时使用TEM来分析内部量子点,如图 2和图3所示。PL实验表现在温度介于4. 2K到300K,使用多模光纤,以传输532纳米的激 光到半导体器件上并收集PL,使用分光仪以及电子倍增电荷耦合器(EMCCD)来分析PL,如 图4所示。
[0059] 根据本发明的另一实施方式,本文公开了另一种半导体器件,包括基底和量子点, 其中,当在4. 65K的温度下测量半导体器件时,量子点的峰值发射的半高宽(FWHM)小于 8meV〇
[0060] 此外,量子点被掺杂周期表第二族材料或周期表第四族材料,例如碳。碳结合进量 子点中,能够直接观察所有的电子受限状态,从而对于研究零维系统中的物理现象,开启了 一种新的可能。
[0061] 半导体器件还可以包括缓冲层,其中,缓冲层包括由周期表第三族材料和周期表 第五族材料组成的周期表第三族-第五族材料,而量子点包含周期表第三族材料和周期表 第五族材料。例如,缓冲层可以是砷化镓缓冲层,而量子点包含砷化镓、例如高度均匀的砷 化镓/砷化铝镓量子点。当基底温度降低至大约100°C到200°C时,砷化镓/砷化铝镓量子 点具有非常低的掺杂浓度。
[0062] 根据本发明,图7为示出示例性碳掺杂的砷化镓量子点半导体器件。半导体器件 包括:基底710 ;砷化镓缓冲层720 ;砷化镓/砷化铝超晶格730 ;砷化铝镓层740,其中嵌入 碳掺杂的砷化镓量子点750 ;砷化镓/砷化铝超晶格760 ;砷化铝镓层770,其中嵌入碳掺杂 的砷化镓量子点780 ;和碳掺杂的砷化镓量子点790。
[0063] 根据本发明,本领域普通技术人员能够想到半导体器件还可以包括覆盖层,以及 能够想到这些层可以重复出现。例如,覆盖层可以是砷化铝镓层750,而层730和具有嵌入 的量子点的层740可以多次重复出现,以生长更多的量子点。
[0064] 砷化镓缓冲层720可以具有大约200纳米的厚度。砷化镓/砷化铝超晶格730和 760的周期可以介于50到150。对于周期为150的超晶格,砷化镓和砷化铝都可以具有大 约3. 3纳米的厚度。
[0065] 砷化铝镓层740和770可以具有大约100纳米的厚度,其中分别包含嵌入的碳掺 杂的砷化镓量子点750和780。砷化镓量子点750, 780和790具有高均匀度。
[0066] 根据本发明,示例性碳掺杂的砷化镓/砷化铝镓量子点的密度可以介于大约 5X10scm2到大约5X109cm2,而高度可以介于大约1纳米到大约4纳米。另外,根据本发 明,AlxGaixAs层740中铝的成分比例X为大约0. 3到0. 35。
[0067] 图8为示例性碳掺杂的砷化镓量子点790的AFM图像800,扫描面积为1微米X1 微米。如图所示,碳掺杂的砷化镓量子点810具有高均匀度和圆形形状。在一个示例中,碳 掺杂的砷化镓量子点810的平均高度为2. 25±0. 5纳米并显示出环形结构。碳掺杂的砷化 镓量子点的平均底部直径为50. 3纳米。面密度为2. 1XK^cm2。
[0068] 图9A示出图7中示例性碳掺杂的砷化镓量子点750和780的PL光谱900,测量温 度为4. 65K。如图所示,由受限电子和受限重空穴之间的再结合产生的1号峰的半高宽小于 8 _电子伏特(在本不例中为大约7. 41晕电子伏特)。和之前的砷化镓/砷化错镓量子点 结构研究工作相比,可以认为这项半高宽值是目前最低的,从而证实砷化镓量子点的高均 匀度。下文将讨论关于受限电子与束缚于杂质的空穴之间再结合的更多细节。
[0069] 根据本发明的又一实施方式,本文公开了半导体器件,包括基底和量子点,其中, 量子点的PL光谱在红光区域具有超过两个峰。作为示例,如图9A所示,当在4. 65K的温度 下测量半导体器件时,示例性量子点750和780 (参见图7)的PL光谱具有至少五个峰。
[0070] 在工业应用中,每一个峰可以用于代表一个独特的信号。因此,当量子点结构显示 出多个峰时,可以降低为了产生多个信号而制造多个量子点结构的需求,进而降低生产成 本。
[0071] 半导体器件还可以包括缓冲层,其中,缓冲层包括由周期表第三族材料和周期表 第五族材料组成的周期表第三族-第五族材料,而量子点包含周期表第三族材料和周期表 第五族材料。例如,缓冲层可以是砷化镓缓冲层,而量子点包含砷化镓、例如高度均匀的砷 化镓/砷化铝镓量子点。此外,量子点掺杂有周期表第二族材料或周期表第四族材料,例如 碳。
[0072] 参照先前的图9A,第一个红光具有峰(1号峰),中心波长范围介于大约685纳米 到大约696纳米,对应于大约1. 81电子伏特(eV)到大约1. 78电子伏特的跃迀能。第二个 红光具有峰(2号峰),中心波长范围介于大约702纳米到715纳米,对应于大约1. 77电子 伏特到大约1. 73电子伏特的跃迀能。第三个红光具有峰(3号峰),中心波长范围介于大约 716纳米到大约725纳米,对应于大约1. 72电子伏特到大约1. 71电子伏特的跃迀能。第 四个红光具有峰(4号峰),中心波长范围介于大约726纳米到大约731纳米,对应于大约 1. 70电子伏特到大约1. 69电子伏特的跃迀能。最后,第五个红光具有峰(5号峰),中心波 长范围介于大约740纳米到大约750纳米,对应于大约1. 68电子伏特到大约1. 65电子伏 特的跃迀能。
[0073] 在一个实施方式中,每一个红光都具有半高宽(FWHM)介于大约2纳米到大约8纳 米的峰值发射,对应于大约7毫电子伏特到大约20毫电子伏特的能量。
[0074] 图9B为示出在砷化镓/砷化铝超晶格结构内的砷化铝镓层中嵌入的示例性碳掺 杂的砷化镓/砷化铝镓量子点中,导带和价带之间的跃迀能的示意图950。如图所示,在该 碳掺杂的量子点结构中,导带中具有受限电子的四个束缚态:Ε#,Ε^Ε&,和以及重空穴 的一个束缚态:Elh。1号峰(参见图9Α)的跃迀能主要是来自受限电子(能级在E4J和重 空穴状态(能级在Elh)之间的带间跃迀。
[0075] 在图9B中,束缚态Eb主要是来自杂质碳,杂质碳在量子点结构中产生受体。2号 峰主要是来自受限电子(能级在E4J和碳受体(能级在Eb)之间的跃迀。3号峰主要是来 自受限电子(能级在E3J和碳受体(能级在Eb)之间的跃迀。4号峰主要是来自受限电子 (能级在E?)和碳受体(能级在Eb)之间的跃迀。5号峰主要是来自受限电子(能级在EJ 和碳受体(能级在Eb)之间的跃迀。
[0076] 图10示出在温度介于1. 74K到21K时,示例性碳掺杂的砷化镓/砷化铝镓量子点 结构的导带中的电子受限能与跃迀能。如图所示,点1040、1030、1020、和1010分别表示在 介于1. 74K到21K的不同温度时,2号峰到5号峰的电子受限能与跃迀能。可以清楚地观察 至IJ,当温度升高时,跃迀能(或电子受限能)几乎保持相同的值,从而表明其良好的光学质 量。
[0077] 图11示出示例性碳掺杂的砷化镓量子点的PL光谱与温度的关系。在此观察到PL 光谱1100与温度的关系。从底部开始,图中的每一条线代表着如图所示的由低温到高温的 不同的测量温度。
[0078] 参照先前的图9A和图9B,示出由5. 43毫瓦(mW)能量激发所产生的PL光谱和辐 射跃迀。在砷化镓基体中,中性受体的结合能(Eb)判断为24毫电子伏特。在量子井中,受 限电子和受限重空穴的不同能态分别用UPEnh来表示(在此,η为量子数,表示不同能 态)。对应能量为1. 801电子伏特的1号峰,假定为由位于量子数η= 4能态的电子与位 于量子数η= 1能态的重空穴再结合所引起。标示为2号峰(约1. 754电子伏特)、3号峰 (约1. 725电子伏特)、4号峰(约1. 705电子伏特)和5号峰(约1. 667电子伏特)主要 涉及位于量子数η= 1到η= 4能态的电子与中性受体间的跃迀。
[0079] 利用该信息,判断在价带井中,量子数η= 1的重空穴能级为
[0080]Elh= 1 号峰-2 号峰-Εb= 23meV (1)
[0081] 对于量子数η=1到η=4的电子能级可以表示为
[0082]Ele= 5 号峰-EgGaAs+Eb= 172meV
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