摘 要：本文介绍了量子效应器件的定义、分类、特点、工作原理、特性、制造方法和应用。还介绍了国内研制量子效应器件的动态和成果。

关键词：量子效应器件，共振隧穿二极管，量子点激光器，晶圆，器件

中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1681-1070(2005)07-01-05

1 前言

在当今半导体行业中，有两大轮子推动半导体产业链不断地向前发展，一个是不断地缩小芯片的特征尺寸；另一个是不断地扩大晶圆尺寸。[1]不断缩小芯片的特征尺寸(或半导体器件的几何尺寸，如下同)将产生尺寸效应，当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布洛

2 分类与特点

国内外大多数认为：量子效应器件应满足如下两个条件：(1)器件的工作原理基于某种量子效应；(2)器件的结构的纳米量子结构，如隧穿势垒包围势阱的结构。[4]目前量子效应器件可分成：(1)共振隧穿器件(含共振隧穿二极管RTD和共振隧穿晶体管RTT)；(2)量子点器件(QD)。相对比较成熟的量子效应器件是共振隧穿二极管。量子效应器件的分类如表1所示。共振隧穿器件只有一维(势阱宽度)尺度为几个纳米量级，所以仅在一维发生量子化。量子点器件有三维尺度都为几个纳米量级，所以在三维都发生量子化。发生量子化的结果是势阱中出现分立能级，量子化程度越强，能级间隙能量Δε就越大。我们可把势垒和势阱看成一个孤立的电子系统。势阱中的电子能稳定地处于阱内而不逸出，其能量必须低于势垒高度。若从外界将一个电子移入阱内，必须克服阱内所有电子对该电子的排斥作用，具备U的能量才有可能，这种U称为充电能U与势阱的三维尺度有关，势阱的体积越小，阱内电子相距越近，相互作用越强，u就越大。相反，势阱的体积越大，U就越小。共振隧穿器件在一维发生量子化，Δε较大，同时势阱体积较大，U很小，所以Δε>>U。量子点器件在三维发生量子化，由于Δε和U都较大，所以Δε≈U。共振隧穿器件势阱中的电子能量分布为Δε很大的分直能级。当发射极中费米能级EF以下的电子与势阱中基态能级￡o发生共振隧穿时，I-V特性出现一个电流峰，随着电压增大，电子与激发态能级E1发生共振隧穿时,I-V特性出现第二个电流峰，由于Δε较大，所以两个峰间对应的电压偏移较大，见表1的，I-V特性栏．．由于量子点器件U≈Δε，势阱中的能量分布为在u的基础上能量间隙Δε与u幅度同量级的能级分布，所以在表1中出现大台阶套小台阶的，I-V特性。[4]

3 共振隧穿器件

3．1器件工作原理[4]

这里以RTD来讨论共振隧穿器件。RTD的结构为两个势垒包围单个势阱的结构，见。势垒一般由AlAs或AlGaAs构成，其宽度为1.5～3.0nm，势由GaAs或InGaAs构成，其宽度为3.0～5.0nm。左侧发射极和右侧集电极由与势阱相同的材料重掺杂层构成。(a)为RTD不加偏压时的能带图，势阱中因量子化出现分立能级，基态能量为Eo。当不加偏压时，E0高于发射极中的费米能级EF。当加偏压V后，Eo相对于EF下降，位于EF与其导带底Ec之间，(b)为共振隧穿时能带图。当EF的电子能量与Eo重合，满足能量守恒与横向动量守恒时，则发生共振隧穿，出现隧穿电流。随着V的增加，在波矢量K空间的费米盘沿Kz轴下降，电子的态密度正比于盘的面积，费米盘越下降，盘面积越大，隧穿电流也越大，见(c)。当Eo和Ec重合或费米盘下降至Kz坐标原点时，隧穿电流为，在1-V特性上形成峰值电流Ip，见(d)。当V再增大，Eo位于Ec以下，共振隧穿停止，电流骤降，出现负阻效应。由于阱宽很小，Δε很大，第二个电流峰出现在较高的电压处。

RTD的特点：(1)高频高速，理论预计RTD峰谷间转换频率可达1.5～2.5THz，1991年国外RTD的fmax已达712GHz，1995年国外RTD短开关时间为1.5ps；(2)低工作电压和低功耗，典型RTD工作电压为0.2～0.5V，一般工作电流为mA量级，如在材料生长中加入预势垒层，工作电流可降至μA量级：(3)负阻、双稳和自锁特性；(4)用很少的RTD可完成一定的逻辑功能。
3．3 器件设计[6]

1999年天津大学电子信息工程学院与信息产业电子第13所联合研制RTD，2000年推出室温电流峰谷(PVCR)比为5：1，fmax为26.5GHz的RTD；2001年推出PVCR为7.6：1，fmax为54GHz的RTD，与国外10年前的水平相差一个数量级以上。

他们根据RTD的工作原理，进行RTD的分子束外延(MBE)材料结构设计，如表2所示。选用AlAs，作势垒材料．势垒厚度为1.7nm。选用GaAs作势阱材料，势阱层厚度为0.5nm。在GaAs势阱中间增加一层InGaAs子阱，因为InGaAs的带隙比GaAs窄，其基态能级更低。在发射(集电)极与发射(集电)势垒之间加非掺杂的GaAs隔离层，防止杂质扩散到双势垒区，并使发射极与发射势垒之间形成一电子势阱。在E和C区再加InGaAs层，以加强该区中势阱深度，突出二维到二维的隧穿机制。

3．4 器件特性[7]

当RTD的AE=5×5μm2，直流参数：正向E接地，Vp＝0.6V，lp=1.3mA，Vv=1.05V，Iv=0．25mA，Rn=-429，Jp=5.2×103A cm-3，PVCR=5.2；反向C接地，Vp=0.85 V，Ip=1.9mA，Vv＝1.3A，Iv＝0.25mA，Rn=-273，峰值电流密度Jp=7.6×103A cm-3，PVCR=7.6，fmax=26.3GHz。

当RTD的AE=4 X 4μm2，直流参数；正向E接地，vp=0.6V，Ip=1.3mA，Vv=0.65V，Iv=0.42mA，Rn=-57，Jp=8.1×103A cm-2，PVCR=3.1，fmax=54GHz。

2002年11月清华大学微电子所利用自制的高真外延设备GS400制备应变Sio.75Ge0.25／Si异质结构，并利用它制备出空穴型阱Si／SiGe带内共振隧穿二极管。常温下PVCR=1.13，Ip=1.589×103A cm-2。2003年10月经过优化结构参数，提高SiGe层中Ge组分,空穴型阱Si／SiGe RTD的PVCR：2.21，Ip=45.9×103A cm-2。

4 量子点器件
一个理想的量子点激光器(QDLD)在其有源区的三维尺度都为几个纳米量级，在三维都发生量子化，成为一个量子点器件。QDLD比量子阱激光器(QWLD)、量子线激光器有更好的特性，因为QWLD在一维发生量子化，量子线激光器在二维发生量子化。QDLD的特性：[9](1)超低阈值电流密度，Jth≤2A cm-2；(2)超高阈值电流温度稳定性；(3)超高微分增益；(4)极高的调制带宽；(5)在直流电流调制下无啁啾工作，啁啾是指LD在直流电流的调制下QDLD发射波长的改变(Δλ)。一个理想的QDLD应具备如下条件：(1)量子点的尺寸和形状相同，其变化范围<10％。量子点只有单一电子能级和一个空穴能级，以利于QDLD的基态激发；(2)尽量高的量子点面密度和体密度，保证QD材料有尽可能大的增益和防止增益饱和，有利于QDLD的低阈值基态工作；(3)正确选择量子点尺寸，因为量子点的临界尺寸同选用材料体系寻常带隙(△Ec)紧密相关。InAs／GaAs球形量子点尺寸下限为20nm；(4)QDLD 工作波长可通过选择材料体系，控制量子点组分，尺寸等实现。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室于1996年研制成功QD材料，1997年研制成功QDLD，1999年底研制成功三层垂直耦合InAs／InGaAs复合量子点有源区的QDLD，其室温双面连续输出功率大于3.6W，阈值电流密度为218A cm-2，0.=61w 工作3 000小时后，功率下降0.83dB。2000年推出室温脉冲工作、200K连续工作的波长为700～750nm红光QDLD样管，这些研究成果都接近当时的国际先进水平。目前国外应用SK生长模式和常规LD制造已研制成功从近红外到红光波段的QDLD。所谓SK生长模式是指在异质结外延生长过程中，先层状生长过渡到岛状生长的Stranski_Krastanow(SK)模式。

量子点探测器也属量子点器件的范畴，据业内人士透露，中科院半导体即将推出QD探测器。

5 制造量子效应器件的方法

制造量子效应器件的技术途径何两种：一种为"自上而下"(Top-Down)，通过微纳米电子加工技术，不断地缩小芯片特征尺寸和器件尺寸，这也是目前主要的途径；另一种为"自下而上'(Bottom up)，以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装。

目前制造量子效应器件的主要技术有：[5]

(1)分子束外延(MBE)技术。它是在超高真空条件下，对分子或原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技术。它配置必要的仪器便可对外延生长的表面、生长机理、外延层结晶质量和电学性质进行原位检测和评估。由于生长速率慢和控制喷射源束流可获得超薄层和单原子层界面突变的异质结结构。通过对合金组分和杂质浓度的控制，可实现对其能带结构和光电性质的"人工裁剪"，从而制备出各种复杂势能轮廓和杂质分布的超薄层纳米量子结构材料。

(2)金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)。它是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开关网络送人反应室中加热的衬底上，通过热分解反应终在其上生长外延层的技术。它适用于生长各种单质和化合物薄膜材料，特别是蒸气压高的磷化物、高压超导氧化物和金属薄膜等。 (3)应变自组装纳米量子(线)结构生长技术。它是利用SK生长模式．用于描述具有较大品格失配、界面能较小的异质结材料的生长。SK模式生长的开始阶段是二维平面生长，只有几个原子层厚，称为浸润层。当浸润层达到某一临界厚度tc时，外延生长过程由二维平面向三维岛状生长过渡。三维岛状生长初期，形成的纳米小岛周围是无位错的。若用禁带宽度较大的材料将其包围起来，小岛中的载流子将受到三维约束。小岛的直径一般为几十纳米，高为几纳米。在生长的单层量子点(线)基础上，重复上述过程就能获取量子点(线)超品格结构。

(4)电子束和离子束光刻技术。目前电子束和离子束光刻分辨率已达到10nm。采用该技术已研制出二维量子化和三维量子化的量子点、量子线及其阵列。

6 应用与展望

目前RTD已用于微波振荡器、微波混频器、高速数字电路和光电集成电路等。国外已推出含2 000个以上RTD的高速数字电路。RTD电路具有速度快、功耗低、实现相同逻辑功能所需元器件少的优点，所以发展迅速，已可与FET、HEMT、HBT、MODFET等集成组构成各种门电路、双稳分频器、静态存贮器和加法器等电路，工作频率达100GHz。[11]国内天津大学电子信息工程学院对两个RTD串联构成的单双稳态转换逻辑单元(MOBILE)电路进行了研究，利用这种新型逻辑单元可组成多种结构的复杂数字电路，它具有如下优点：(1)有自锁特性；(2)高速工作；(3)较多的扇出或较大驱动能力；(4)多端输入；(5)有多种逻辑功能。[10]

随着量子效应器件的深入研究，将推出新一代量子效应器件和电路，如：(1)纳米光子器件，包括三维光子晶体天线、光子晶体二极管、无损耗光波导、光开关、无阈值LD、光放大器等；(2)纳米光电子器件，包括光互连、光开关、光逻辑和光参量放大器等；(3)基于量子计算概念的量子电路。它是以量子逻辑门为基本单元，应用完整的量子力学原理，即量子态相干迭加性和量子运算操作的么定变换性，实现量子巨并行运算的电路。[11]20世纪90年代国外科学家提出一种以量子波函数作为信息载体的"Disrupted"技术概念--量子计算。已证实利用量子双态体系的相干迭加性可构成基本的量子比特(qubit，即一位转动门)，利用量子纠缠原理的两位受控转动门可完成量子计算通用门的功能。1998年日本科学家首次在一种超导电荷量子比特上演示单个量子比特的全部操作，表明在具有巨大自由度的固体中有可能在保持量子相干的时间尺度上完成足够的量子运算。量子效应器件和电路的前景正如美国半导体工业协会预测的那样，目前这场采用纳米量子结构的信息技术硬件的革命，完全可与30年前用微电子集成芯片取代晶体管所引发的即场革命相提并论。