一种基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件及其制备方法。

背景技术：

共振隧穿二极管是指，在两个势垒中间夹入一个量子势阱。按照经典力学观点，势垒的能量高于运动电子能量时，电子是不可能穿过势垒的。但是按照量子力学观点，当势垒两侧运动电子运动能级与量子势阱相同时，电子有非常大的几率穿过势垒，量子势阱相当于提供一个电子运动的隧道，这就是所谓共振隧穿。

目前量子共振隧穿二极管大多采用砷化物作为隧穿结，通常为AlGaAs作为势垒，InAs或InGaAs作为量子阱/量子点夹在AlGaAs势垒当中（参考文献Toshi-kazu Suzuki, et al. Jpn. J. Appl. Phys. 36, 1917, 1997以及文献Andrew J. Shields Naturephotonics 6, 348, 2012）。Andrew J. Shields的文章提供了一种巧妙的方法可以通过聚焦激光束照射在共振隧穿二极管上，从而实现定位和控制量子态的方法。具体来说就是，聚焦激光光束照射在量子点区域时，发生隧穿，电流电压（I-V）曲线发生相应变化。照射在非量子点区域，则I-V曲线没有变化。该方法尤其适宜于微弱光探测领域，并且在量子点区域可控的情况下，可以实现量子信息（qubit）的有效控制。但是InAs和InGaAs禁带宽度较小，只能相应红外波段的光源，并且InGaAs禁带宽度可调范围有限，综上可见砷化物作为隧穿结所能够响应的光谱范围有限，这将限制其在更广阔领域的应用。

技术实现要素：

为克服现有砷化物量子隧穿共振二极管所能响应光谱范围有限的缺点，本发明提供了基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件及其制备方法。

本发明具体通过以下技术方案予以实现所要解决的技术问题：

本发明中，基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件的制备方法，所述制备方法步骤如下：

（1）衬底材料层1使用之前在H₂环境下进行清洗，温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选100～500 mbar；

（2）载气为H₂，衬底材料层1上生长缓冲层2，所述缓冲层2为AlN或GaN，厚度为1～100nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（3）载气为H₂，在GaN缓冲层2上生长n-GaN层3，厚度为100nm～10μm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar，在该n-GaN层3中Si的浓度为

（4）载气切换为N₂，在n-GaN层3上生长GaN层4，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（5）载气为N₂，在GaN层4上生长AlN层5，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（6）载气为N₂，在AlN层5上生长InGaN量子点层6，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（7）载气为N₂，在InGaN量子点层6上生长AlN层7，厚度为1～50nm，优选2～10nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（8）载气为N₂，在AlN层7上生长GaN层8，厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；

（9）载气为H2，在GaN层8上生长n-GaN层9，厚度为100nm～10μm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；在该n-GaN层9中Si的浓度为

（10）反应室降温，恢复原始条件，生长结束；

（11）采用感应耦合等离子体刻蚀预设材料表面，刻蚀深度直至n-GaN层3为止；所述材料表面和刻蚀台面制作欧姆电极，使用Au或Ge或Ni金属。

优选的，所述生长的方法采用分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）或金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）；优选金属有机物化学气相沉积法。

优选的，所述金属有机物化学气相沉积法的金属有机源为三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl），氮源为氨气（NH₃），金属有机源的载气为氢气（H₂）或氮气（N₂）。

优选的，所述衬底材料层1为Al₂O₃、Si、SiC或GaAs衬底；所述Al₂O₃衬底优选蓝宝石。

优选的，所述步骤（7）的AlN层7和步骤（8）的GaN层8之间还可以依次生长GaN层10和氮化物量子阱层11。

优选的，所述GaN层10厚度为1～100nm，优选10～50nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar；所述氮化物量子阱层11厚度为0.1～50nm，优选0.5～5nm，生长温度为，反应室压强为1～1000mbar，优选200～600 mbar。

经过上述步骤后，氮化物量子隧穿二极管器件制备成功。材料表面和刻蚀台面的欧姆电极分别连接正、负极，可以得到电流电压（I-V）曲线。按照量子力学的观点，即使存在势垒，电子仍然可以穿越势垒，这是I-V曲线中仍可以测得电流的原因。

当聚焦光束的激光器照射在材料表面非电极区域，在量子点区域，I-V曲线会有变化，在非量子点区域，I-V曲线没有变化。在光照条件下产生光生载流子，经过量子点区域时空穴被量子点捕获，使得材料的能带结构发生变化，发生隧穿电流的阈值电压降低。非量子点区域，则不存在这种情况。

本发明中，基于氮化物量子点的共振隧穿二极管器件，包括衬底材料层，所述衬底材料层1上依次生长缓冲层2、n-GaN层3、GaN层4、AlN层5、氮化物量子点层6、AlN层7、GaN层8和n-GaN层9。

优选的，所述AlN层7和GaN层8之间还可以依次生长GaN层10和氮化物量子阱层11。

优选的，所述衬底材料层1为Al₂O₃、Si、SiC或GaAs衬底；所述Al₂O₃衬底优选蓝宝石；

所述缓冲层2为AlN或GaN，厚度为1～100nm；

所述n-GaN层3厚度为100nm～10μm；

所述GaN层4厚度为1～100nm；

所述AlN层5厚度为1～50nm；

所述AlN层7厚度为1～50nm，优选2～10nm；

所述GaN层8厚度为1～100nm，优选10～50nm；

所述n-Ga层9厚度为100nm～10μm。

优选的，所述GaN层10厚度为1～100nm，优选10～50nm；所述氮化物量子阱层11厚度为0.1～50nm，优选0.5～5nm。

本发明中氮化物量子点可以外延生长GaN或者InGaN量子点，尤其是InGaN量子点的禁带宽度可以通过调节In组分达到0.7eV至3.2eV区间，这样相对于砷化物来说，氮化物可以响应更大范围的光谱，扩大其应用范围。另外，如果外延量子点区域可以控制，由前述内容可以知道，在同一电压下通过光照与否可以得到不同电流，这样实现量子信息(qubit)的控制，有助于最终实现量子计算机。本发明所述外延结构简单，器件制备步骤简便，条件温和，具有广泛实用价值。

附图说明

图1 是基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件结构示意图（单层量子点）;

图2 是基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件结构示意图（多层量子点）;

图3 是基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件结构示意图（含量子阱层）。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例以附图1、2、3所示本发明基于氮化物量子点共振隧穿二极管器件及其制备方法为例进行实施：

实施例1

该例采用MOCVD外延基于氮化物量子点的共振隧穿二极管，其中氮化物量子点为单层GaN量子点，器件结构如图1所示，具体制备过程为：

（1）载气为H₂，蓝宝石衬底在H₂环境下清洗10min，温度为，反应室压强为200mbar；

（2）载气为H₂，在蓝宝石衬底上生长30nm厚的GaN缓冲层，温度，反应室压强为400mbar；

（3）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为温度为，反应室压强为400mbar；

（4）载气切换为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长30nm厚的GaN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（5）载气为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（6）载气为N₂，在AlN层上生长名义厚度为1.5nm的InGaN量子点，温度为，反应室压强为400mbar；

（7）载气为N₂，在InGaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（8）载气为N₂，在AlN层上生长30nm厚的GaN层，温度为650℃，反应室压强为400mbar；

（9）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为，温度为1040℃，反应室压强为400mbar；

（10）反应室降温，恢复原始条件，生长结束。

实施例2

该例采用MOCVD外延基于氮化物量子点的共振隧穿二极管，其中氮化物量子点为5层GaN量子点，器件结构如图2所示，具体制备过程为：

（1）载气为H₂，蓝宝石衬底在H₂环境下清洗10min，温度为，反应室压强为200mbar；

（2）载气为H₂，在蓝宝石衬底上生长30nm厚的GaN缓冲层，温度，反应室压强为400mbar；

（3）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为，温度为1040℃，反应室压强为400mbar；

（4）载气切换为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长30nm厚的GaN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（5）载气为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（6）载气为N₂，在AlN层上生长名义厚度为1.5nm的InGaN量子点，温度为，，反应室压强为400mbar；

（7）载气为N₂，在InGaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（8）重复上述步骤5～7四次，生长5层量子点；

（9）载气为N₂，在AlN层上生长30nm厚的GaN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（10）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为，温度为，反应室压强为400mbar；

（11）反应室降温，恢复原始条件，生长结束。

实施例3

该例采用MOCVD外延基于氮化物量子点的共振隧穿二极管，其中氮化物量子点为5层GaN量子点，另外外延结构包含量子阱层。器件结构如图3所示，具体制备过程为：

（1）载气为H₂，蓝宝石衬底在H₂环境下清洗10min，温度为，反应室压强为200mbar；

（2）载气为H₂，在蓝宝石衬底上生长30nm厚的GaN缓冲层，温度，反应室压强为400mbar；

（3）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为，温度为，反应室压强为400mbar；

（4）载气切换为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长30nm厚的GaN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（5）载气为N₂，在掺Si的n型GaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（6）载气为N₂，在AlN层上生长名义厚度为1.5nm的InGaN量子点，温度为，，反应室压强为400mbar；

（7）载气为N₂，在InGaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（8）重复上述步骤5～7四次，生长5层量子点；

（9）载气为N₂，在AlN层上生长名义厚度为1nm的InGaN量子阱，温度为，反应室压强为400mbar；

（10）载气为N₂，在InGaN层上生长4nm厚的AlN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（11）载气为N₂，在AlN层上生长500nm厚的GaN层，温度为，反应室压强为400mbar；

（12）载气为H₂，在GaN缓冲层上生长1μm厚的掺Si的GaN层，电子浓度为，温度为，反应室压强为400mbar；

（13）反应室降温，恢复原始条件，生长结束。

实施例1、实施例2、实施例3中的生长结束后采用感应耦合等离子体刻蚀预设材料表面，刻蚀深度直至n-GaN层3为止；材料表面和刻蚀台面制作欧姆电极，使用Au或Ge或Ni金属；经过上述步骤后，氮化物量子隧穿二极管器件制备成功；材料表面和刻蚀台面的欧姆电极分别连接正、负极，可以得到电流电压（I-V）曲线。按照量子力学的观点，即使存在势垒，电子仍然可以穿越势垒，这是I-V曲线中仍可以测得电流的原因；当聚焦光束的激光器照射在材料表面非电极区域，在量子点区域，I-V曲线会有变化，在非量子点区域，I-V曲线没有变化；在光照条件下产生光生载流子，经过量子点区域时空穴被量子点捕获，使得材料的能带结构发生变化，发生隧穿电流的阈值电压降低；非量子点区域，则不存在这种情况。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。