摘要：隨著微電子工藝逐漸逼近其物理極限，具有量子特性的納米電子器件的研制被提上日程。自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)由于缺陷少、生長(zhǎng)技術(shù)成熟和具有δ函數(shù)形式的能態(tài)密度等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于納米電子器件制備中。本文按縱向輸運(yùn)器件、橫向輸運(yùn)器件的分類(lèi)扼要評(píng)述了該領(lǐng)域的進(jìn)展，并對(duì)待解決的問(wèn)題和發(fā)展前景作了分析。
　　1 引言
　　量子點(diǎn)也稱(chēng)人工原子，在20世紀(jì)晚期開(kāi)始受到重視[1]，指人造的尺寸為1-100nm的小系統(tǒng)，內(nèi)含 1-10000個(gè)可控制的電子。它的尺寸比團(tuán)簇[2] 大，但小于光刻。量子點(diǎn)的三維尺寸都與該方向電子的波長(zhǎng)或平均自由程可比擬甚至更小，因此載流子在三個(gè)方向的能量都是量子化的，運(yùn)動(dòng)都受到了約束，故稱(chēng)為零維材料。它的性質(zhì)與體材料顯著不同，包括量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧穿與庫(kù)侖阻塞效應(yīng)等，因此在納米電子器件制造方面有極重要的前景。
　　目前流行的量子點(diǎn)制備方法有三種：一是在量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上用高分辨電子束曝光直寫(xiě)刻蝕的方法[3]，量子點(diǎn)的形狀、分布可控，但容易損傷而引入缺陷和玷污；二是用膠體化學(xué)方法制備半導(dǎo)體納米晶態(tài)量子點(diǎn)[4]，但工藝仍不成熟；三是利用晶體生長(zhǎng)的S-K(stranski-krastanow)模式進(jìn)行應(yīng)變?cè)蛔越M裝生長(zhǎng)量子點(diǎn)，也是簡(jiǎn)便、成熟的方法[5]。自組裝法的原理是：晶格失配度適中的兩種材料，如Ge/Si,InAs/GaAs等，在分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（MOCVD）初始階段是二維平面生長(zhǎng)，隨著厚度的增加產(chǎn)生應(yīng)變積累，導(dǎo)致在臨界厚度時(shí)外延層轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀生長(zhǎng)以降低系統(tǒng)能量，終形成了均勻且無(wú)位錯(cuò)的量子點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件，可使量子點(diǎn)尺寸的不均勻性≤10%,密度控制在10 8-1011cm-2。
　　要充分發(fā)揮自組裝量子點(diǎn)在納米電子器件中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其大小、形狀的人工調(diào)控是非常必要的。
　　人們已在利用量子點(diǎn)間彈性作用而使其有序排列方面取得一定進(jìn)展[6]，而這對(duì)終實(shí)現(xiàn)大小和形狀的均一化是非常有利的。目前，人們提高S-K量子點(diǎn)均勻性和有序性的研究仍在進(jìn)行之中。
　　2 縱向輸運(yùn)器件
　　量子點(diǎn)共振隧穿器件是典型的基于電子在平行于量子點(diǎn)生長(zhǎng)方向上的輸運(yùn)特性制成的縱向輸運(yùn)器件。目前量子阱共振隧穿二極管（RTD）已可以與CMOS器件混合集成[7]，而量子點(diǎn)RTD尚處于基礎(chǔ)研究階段[8,9]。常見(jiàn)的量子點(diǎn)RTD為雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，勢(shì)壘之間為量子點(diǎn)有源區(qū)，勢(shì)壘兩側(cè)為發(fā)射極和集電極。加一定偏壓時(shí)，能帶發(fā)生傾斜，原本較低的發(fā)射極電子費(fèi)米能級(jí)達(dá)到或高于了量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)，電子便有較大概率共振隧穿通過(guò)雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。繼續(xù)增大偏壓使量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)低于發(fā)射極導(dǎo)帶底時(shí)，共振隧穿截止，出現(xiàn)負(fù)微分電阻現(xiàn)象。隨偏壓的升高，電子還可與量子點(diǎn)電子激發(fā)態(tài)能級(jí)共振，使電流-電壓曲線呈現(xiàn)振蕩或臺(tái)階特性。瑞典隆德大學(xué)Samuelson小組[10]在自組裝 InAs/InP量子點(diǎn)共振隧穿I-V曲線中獲得了高達(dá)85的峰谷比。由于RTD有響應(yīng)速度快、工作頻率高、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，它已成為納米電子學(xué)中負(fù)期望的器件，更全面的綜述可以參看文獻(xiàn)[11]和[12]。
　　日本東京大學(xué)Sakaki小組[13-16]研制的一種單量子點(diǎn)RTD的結(jié)構(gòu)和能帶示于圖1[13]。由于自組裝量子點(diǎn)大小、形狀尚不是非常均一，若有源區(qū)量子點(diǎn)數(shù)目過(guò)大，這種不一致性將使器件電學(xué)性能變差。為減小器件中點(diǎn)的數(shù)目，必須降低其生長(zhǎng)密度[16] 。通過(guò)調(diào)節(jié)MBE生長(zhǎng)條件，InAs量子點(diǎn)的面密度可減至108cm-2量級(jí) [16]，有源區(qū)即采用了這種技術(shù)。通過(guò)電子束光刻,RTD被制成邊長(zhǎng)0.5μm的正方形。當(dāng)無(wú)共振隧穿現(xiàn)象時(shí)，熱電流占主導(dǎo)地位，而且它與有源區(qū)面積成正比。因此，通過(guò)對(duì)比測(cè)量非共振條件下不同大小RTD的電流，可以推算出距正方形邊緣0.17μm以?xún)?nèi)為耗盡區(qū)（由于半導(dǎo)體表面態(tài)的影響，淺層的載流子濃度很?。Ｋ?，該器件有源區(qū)面積僅為0.16μm見(jiàn)方，考慮到量子點(diǎn)面密度為4×108cm-2,得到有源區(qū)平均量子點(diǎn)數(shù)為0.12。凡檢測(cè)到共振隧穿效應(yīng)的RTD，其有源區(qū)點(diǎn)數(shù)必為1，即所謂單量子點(diǎn)RTD。 130K時(shí)用AFM導(dǎo)電探尖測(cè)得的四條I-V曲線，分別對(duì)應(yīng)于四個(gè)探測(cè)點(diǎn)，它們只有微小差別，說(shuō)明該 RTD性能比較可靠。只有在反向偏置時(shí)，隧穿電流才居主導(dǎo)地位。所示的是肖特基結(jié)正向偏置的情形，雖然此時(shí)熱電流占優(yōu)勢(shì)，而且測(cè)量溫度較高（130K），但是也得到了一個(gè)低的共振隧穿電流峰。總之，單量子點(diǎn)器件是納米電子學(xué)的重要課題之一。
　　3 橫向輸運(yùn)器件
　　隨著集成電路工藝的迅猛發(fā)展，其基本元件場(chǎng)效應(yīng)管的特征尺寸必然進(jìn)入納米量級(jí)，器件將脫離經(jīng)典原理而表現(xiàn)出量子性質(zhì)。在納米加工學(xué)基礎(chǔ)上，人們已開(kāi)始研究單電子晶體管（SET），它與傳統(tǒng)晶體管的差別有如滴定閥門(mén)與水龍頭的差別。擰水管可以調(diào)控水量（柵極控制），但卻難以進(jìn)行滴定管那樣的細(xì)調(diào)。由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，電子只能逐個(gè)通過(guò)器件，呈現(xiàn)單電子（或準(zhǔn)單電子）輸運(yùn)行為。近，利用量子點(diǎn)研制的單電子晶體管已經(jīng)有10meV以上的電子增加能（庫(kù)侖阻塞效應(yīng)中，庫(kù)侖充電能和新增電子的量子動(dòng)能之和稱(chēng)為電子增加能，是衡量充電效應(yīng)能量范圍的較通用參數(shù)），有的甚至超過(guò)100meV，在室溫下可觀測(cè)顯著的庫(kù)侖阻塞振蕩特性[17，18]。一些基于自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)橫向輸運(yùn)性質(zhì)的基礎(chǔ)研究[19，20] 往往采用量子點(diǎn)和量子阱耦合的結(jié)構(gòu)[20]。在這些器件中，通過(guò)量子點(diǎn)中注入的載流子對(duì)量子阱溝道中二維電子氣（2DEG）輸運(yùn)的調(diào)制作用可以獲得預(yù)期的電流- 電壓特性（振蕩、臺(tái)階等）。
　　英國(guó)劍橋大學(xué)[21-23]研制的一種利用量子點(diǎn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行浮柵調(diào)控的單光子探測(cè)器的結(jié)構(gòu) 。自組裝量子點(diǎn)有源區(qū)與GaAs量子阱溝道耦合，中間隔有薄Al 0.33Ga0.67As勢(shì)壘。源和漏電極是AuGeNi歐姆接觸，柵極是用7nmNiCr制成的半透明肖特基接觸（未畫(huà)出）。由于量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)低于GaAs溝道的導(dǎo)帶邊，所以每個(gè)點(diǎn)都能俘獲幾個(gè)電子，相當(dāng)于對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行負(fù)性充電。這些負(fù)電荷將產(chǎn)生排斥勢(shì)，散射溝道內(nèi)的電子，造成較低的電子遷移率（電導(dǎo)下降）。當(dāng) 2DEG的電導(dǎo)較低時(shí)，溝道電流對(duì)量子點(diǎn)的過(guò)剩電荷更為敏感。此時(shí)若用光束透過(guò)柵極照射，將會(huì)在器件中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，量子阱內(nèi)的光生空穴在內(nèi)電場(chǎng)作用下將隧穿入量子點(diǎn)并與過(guò)剩電子復(fù)合。同時(shí)，阱內(nèi)的光生電子則保留在2DEG中。因此，光照可減少量子點(diǎn)內(nèi)過(guò)剩電子數(shù)目（相當(dāng)于對(duì)量子點(diǎn)放電）和增加兩維電子氣密度，從而減輕量子點(diǎn)負(fù)電性對(duì)溝道電流的散射作用，使電導(dǎo)測(cè)量值上升。若有源區(qū)量子點(diǎn)數(shù)目足夠少，我們就可檢測(cè)出一個(gè)量子點(diǎn)俘獲單個(gè)光生載流子引起的2DEG電導(dǎo)變化，從而進(jìn)行單光子探測(cè)。圖4[21]顯示了在工作電流為 2μA的LED輻照下2DEG電導(dǎo)隨時(shí)間的變化。利用一個(gè)大面積光電二極管測(cè)到的光生電流推算，照射到場(chǎng)效應(yīng)管柵極上的光子束流約7.5光子/s。進(jìn)行單光子探測(cè)前先加10s 0.76V柵壓對(duì)量子點(diǎn)充電，以創(chuàng)造源－漏低電導(dǎo)的初始條件。圖4中電導(dǎo)圖線有一系列方階，每次階躍都系單光子輻射引發(fā)一個(gè)量子點(diǎn)放電所致。雖然該探測(cè)器量子效率僅為0.48％，尚遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法[24]，但畢竟是一種全新的探索。導(dǎo)致低探測(cè)率的原因主要是大多數(shù)光子直接透過(guò)量子阱被襯底吸收，今后可用增加厚的吸收層和提高柵極材料透明度方法加以?xún)?yōu)化。在量子點(diǎn)與量子阱耦合結(jié)構(gòu)中，電流主要集中在量子阱內(nèi)。至于電子直接通過(guò)單個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)輸運(yùn)的器件，讀者可參閱文獻(xiàn)[17]-[19]。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　近年來(lái)，自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)的光學(xué)應(yīng)用已有長(zhǎng)足進(jìn)步[25]，但其電學(xué)性質(zhì)的研究尚在起步階段。目前困難主要集中于三個(gè)方面：首先，人們尚不能控制量子點(diǎn)的形狀、尺寸、面密度和體密度。采用圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)可使量子點(diǎn)均勻性得到提高，但仍未達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度。其次，量子點(diǎn)生長(zhǎng)技術(shù)較成熟的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體雖有高電子遷移率和較小的電子有效質(zhì)量，但由于其表面態(tài)密度較大和無(wú)良好的隔離介質(zhì)膜而并非理想的納米電子材料。硅基半導(dǎo)體 [26]兼具低表面態(tài)密度和硅高純、完整的優(yōu)點(diǎn)，若能解決介質(zhì)隔離問(wèn)題，有望成為材料之一。第三，現(xiàn)有納米加工技術(shù)還不能滿(mǎn)足器件制備的需要。納米電子器件的大規(guī)模集成（109-1010 /cm2）要求快速、廉價(jià)、準(zhǔn)確地對(duì)它們進(jìn)行加工和連接。發(fā)展在納米尺度上、高速和無(wú)損的加工工藝與相應(yīng)裝置是實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)納米電子器件產(chǎn)業(yè)化的主要難點(diǎn)之一。
　　世紀(jì)之交，電子器件特征尺寸將由微米向納米過(guò)渡。有人[27]從理論上指出了微電子元件的物理極限，《科學(xué)》雜志更是預(yù)測(cè)了新一代納米計(jì)算機(jī)[28] 。30多年來(lái)，我國(guó)在集成電路領(lǐng)域一直處于被動(dòng)地位，但面臨新興的納米電子學(xué)，我們卻與西方面臨同樣的機(jī)遇?；谧越M裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)的納米電子器件性能優(yōu)越，應(yīng)用背景明確，它的研制必將使我國(guó)在一個(gè)高起點(diǎn)上參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，取得主動(dòng)地位。