一種基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件及其制備方法，隧穿二極管核心部分是夾在氮化物勢壘的GaN或者InGaN量子點，通過聚焦激光光束的照射，可以實現定位和操縱單量子態。本發明專利技術的優點在于綜合氮化物的寬禁帶和量子點提供的分裂能級等特點，使得本方法十分適用于光譜范圍較寬的微弱光探測。所述外延生長方法還可以通過調節InGaN中的In組分實現特定波長的光探測，而且外延結構和器件結構相對簡單，條件溫和，具有廣泛的應用價值。

Resonant tunneling diode device based on nitride quantum point and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of tunneling diode device and method of resonant tunneling of nitride quantum dots based on tunneling diode is the core part in nitride barrier GaN or InGaN quantum dots, by focusing the laser beam irradiation, can achieve the positioning and manipulation of single quantum state. The invention has the advantages of synthesizing the wide band gap of the nitride and the splitting energy level provided by the quantum dots, so that the method is very suitable for the weak light detection of a wide spectrum range. The epitaxial growth method can also realize specific wavelength light detection by adjusting the In component in the InGaN, and the epitaxial structure and device structure are relatively simple, the condition is mild, and the utility model has extensive application value.

【技術實現步驟摘要】
一種基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件及其制備方法
本專利技術涉及半導體材料領域，具體涉及基于氮化物量子點共振隧穿二極管器件及其制備方法。
技術介紹
共振隧穿二極管是指，在兩個勢壘中間夾入一個量子勢阱。按照經典力學觀點，勢壘的能量高于運動電子能量時，電子是不可能穿過勢壘的。但是按照量子力學觀點，當勢壘兩側運動電子運動能級與量子勢阱相同時，電子有非常大的幾率穿過勢壘，量子勢阱相當于提供一個電子運動的隧道，這就是所謂共振隧穿。目前量子共振隧穿二極管大多采用砷化物作為隧穿結，通常為AlGaAs作為勢壘，InAs或InGaAs作為量子阱/量子點夾在AlGaAs勢壘當中（參考文獻Toshi-kazuSuzuki,etal.Jpn.J.Appl.Phys.36,1917,1997以及文獻AndrewJ.ShieldsNaturephotonics6,348,2012）。AndrewJ.Shields的文章提供了一種巧妙的方法可以通過聚焦激光束照射在共振隧穿二極管上，從而實現定位和控制量子態的方法。具體來說就是，聚焦激光光束照射在量子點區域時，發生隧穿，電流電壓（I-V）曲線發生相應變化。照射在非量子點區域，則I-V曲線沒有變化。該方法尤其適宜于微弱光探測領域，并且在量子點區域可控的情況下，可以實現量子信息（qubit）的有效控制。但是InAs和InGaAs禁帶寬度較小，只能相應紅外波段的光源，并且InGaAs禁帶寬度可調范圍有限，綜上可見砷化物作為隧穿結所能夠響應的光譜范圍有限，這將限制其在更廣闊領域的應用。
技術實現思路
為克服現有砷化物量子隧穿共振二極管所能響應光譜范圍有限的缺點，本專利技術提供了基于氮化物量子點共振隧穿二極管器件及其制備方法。本專利技術具體通過以下技術方案予以實現所要解決的技術問題：本專利技術中，基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件的制備方法，所述制備方法步驟如下：（1）襯底材料層1使用之前在H2環境下進行清洗，溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選100～500mbar；（2）載氣為H2，襯底材料層1上生長緩沖層2，所述緩沖層2為AlN或GaN，厚度為1～100nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（3）載氣為H2，在GaN緩沖層2上生長n-GaN層3，厚度為100nm～10μm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar，在該n-GaN層3中Si的濃度為（4）載氣切換為N2，在n-GaN層3上生長GaN層4，厚度為1～100nm，優選10～50nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（5）載氣為N2，在GaN層4上生長AlN層5，厚度為1～50nm，優選2～10nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（6）載氣為N2，在AlN層5上生長InGaN量子點層6，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（7）載氣為N2，在InGaN量子點層6上生長AlN層7，厚度為1～50nm，優選2～10nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（8）載氣為N2，在AlN層7上生長GaN層8，厚度為1～100nm，優選10～50nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（9）載氣為H2，在GaN層8上生長n-GaN層9，厚度為100nm～10μm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；在該n-GaN層9中Si的濃度為（10）反應室降溫，恢復原始條件，生長結束；（11）采用感應耦合等離子體刻蝕預設材料表面，刻蝕深度直至n-GaN層3為止；所述材料表面和刻蝕臺面制作歐姆電極，使用Au或Ge或Ni金屬。優選的，所述生長的方法采用分子束外延（MBE）、氫化物氣相外延（HVPE）或金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）；優選金屬有機物化學氣相沉積法。優選的，所述金屬有機物化學氣相沉積法的金屬有機源為三甲基鎵（TMGa）、三乙基鎵（TEGa）、三甲基銦（TMIn）、三甲基鋁（TMAl），氮源為氨氣（NH3），金屬有機源的載氣為氫氣（H2）或氮氣（N2）。優選的，所述襯底材料層1為Al2O3、Si、SiC或GaAs襯底；所述Al2O3襯底優選藍寶石。優選的，所述步驟（7）的AlN層7和步驟（8）的GaN層8之間還可以依次生長GaN層10和氮化物量子阱層11。優選的，所述GaN層10厚度為1～100nm，優選10～50nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；所述氮化物量子阱層11厚度為0.1～50nm，優選0.5～5nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar。經過上述步驟后，氮化物量子隧穿二極管器件制備成功。材料表面和刻蝕臺面的歐姆電極分別連接正、負極，可以得到電流電壓（I-V）曲線。按照量子力學的觀點，即使存在勢壘，電子仍然可以穿越勢壘，這是I-V曲線中仍可以測得電流的原因。當聚焦光束的激光器照射在材料表面非電極區域，在量子點區域，I-V曲線會有變化，在非量子點區域，I-V曲線沒有變化。在光照條件下產生光生載流子，經過量子點區域時空穴被量子點捕獲，使得材料的能帶結構發生變化，發生隧穿電流的閾值電壓降低。非量子點區域，則不存在這種情況。本專利技術中，基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件，包括襯底材料層，所述襯底材料層1上依次生長緩沖層2、n-GaN層3、GaN層4、AlN層5、氮化物量子點層6、AlN層7、GaN層8和n-GaN層9。優選的，所述AlN層7和GaN層8之間還可以依次生長GaN層10和氮化物量子阱層11。優選的，所述襯底材料層1為Al2O3、Si、SiC或GaAs襯底；所述Al2O3襯底優選藍寶石；所述緩沖層2為AlN或GaN，厚度為1～100nm；所述n-GaN層3厚度為100nm～10μm；所述GaN層4厚度為1～100nm；所述AlN層5厚度為1～50nm；所述AlN層7厚度為1～50nm，優選2～10nm；所述GaN層8厚度為1～100nm，優選10～50nm；所述n-Ga層9厚度為100nm～10μm。優選的，所述GaN層10厚度為1～100nm，優選10～50nm；所述氮化物量子阱層11厚度為0.1～50nm，優選0.5～5nm。本專利技術中氮化物量子點可以外延生長GaN或者InGaN量子點，尤其是InGaN量子點的禁帶寬度可以通過調節In組分達到0.7eV至3.2eV區間，這樣相對于砷化物來說，氮化物可以響應更大范圍的光譜，擴大其應用范圍。另外，如果外延量子點區域可以控制，由前述內容可以知道，在同一電壓下通過光照與否可以得到不同電流，這樣實現量子信息(qubit)的控制，有助于最終實現量子計算機。本專利技術所述外延結構簡單，器件制備步驟簡便，條件溫和，具有廣泛實用價值。附圖說明圖1是基于氮化物量子點共振隧穿二極管器件結構示意圖（單層量子點）;圖2是基于氮化物量子點共振隧穿二極管器件結構示意圖（多層量子點）;圖3是基于氮化物量子點共振隧穿本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件的制備方法，其特征在于，所述制備方法步驟如下：（1）襯底材料層1使用之前在H

【技術特征摘要】
1.一種基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件的制備方法，其特征在于，所述制備方法步驟如下：（1）襯底材料層1使用之前在H2環境下進行清洗，溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選100～500mbar；（2）載氣為H2，襯底材料層1上生長緩沖層2，所述緩沖層2為AlN或GaN，厚度為1～100nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（3）載氣為H2，在GaN緩沖層2上生長n-GaN層3，厚度為，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar，在該n-GaN層3中Si的濃度為（4）載氣切換為N2，在n-GaN層3上生長GaN層4，厚度為1～100nm，優選10～50nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（5）載氣為N2，在GaN層4上生長AlN層5，厚度為1～50nm，優選2～10nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（6）載氣為N2，在AlN層5上生長InGaN量子點層6，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（7）載氣為N2，在InGaN量子點層6上生長AlN層7，厚度為1～50nm，優選2～10nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（8）載氣為N2，在AlN層7上生長GaN層8，厚度為1～100nm，優選10～50nm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；（9）載氣為H2，在GaN層8上生長n-GaN層9，厚度為100nm～10μm，生長溫度為，反應室壓強為1～1000mbar，優選200～600mbar；在該n-GaN層9中Si的濃度為（10）反應室降溫，恢復原始條件，生長結束；（11）采用感應耦合等離子體刻蝕預設材料表面，刻蝕深度直至n-GaN層3為止；所述材料表面和刻蝕臺面制作歐姆電極，使用Au或Ge或Ni金屬。2.根據權利要求1所述的基于氮化物量子點的共振隧穿二極管器件的制備方法，其特征在于，所述生長的方法采用分子束外延（MBE）、氫化物氣相外延（HVPE）或金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）；優選金屬有機物化學氣相沉積法。3.根據權利要求1所述的基于氮化物量子點的共...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王鳴巍，
申請(專利權)人：無錫盈芯半導體科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32