摘要：随着微
电子工艺逐渐逼近其物理极限，具有量子特性的纳米电子器件的研制被提上日程。自组装半导体量子点由于缺陷少、生长技术成熟和具有δ函数形式的能态密度等优点而被广泛用于纳米电子器件制备中。本文按纵向输运器件、横向输运器件的分类扼要评述了该领域的进展，并对待解决的问题和发展前景作了分析。
1 引言
量子点也称人工原子，在20世纪晚期开始受到重视[1]，指人造的尺寸为1-100nm的小系统，内含 1-10000个可控制的电子。它的尺寸比团簇[2] 大，但小于光刻。量子点的三维尺寸都与该方向电子的波长或平均自由程可比拟甚至更小，因此载流子在三个方向的能量都是量子化的，运动都受到了约束，故称为零维材料。它的性质与体材料显著不同，包括量子尺寸效应、量子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻塞效应等，因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。
目前流行的量子点制备方法有三种：一是在量子阱或超晶格结构的基础上用高分辨电子束曝光直写刻蚀的方法[3]，量子点的形状、分布可控，但容易损伤而引入缺陷和玷污；二是用胶体化学方法制备半导体纳米晶态量子点[4]，但工艺仍不成熟；三是利用晶体生长的S-K(stranski-krastanow)模式进行应变原位自组装生长量子点，也是简便、成熟的方法[5]。自组装法的原理是：晶格失配度适中的两种材料，如Ge/Si,InAs/GaAs等，在分子束外延（MBE）或金属有机化学汽相淀积（MOCVD）初始阶段是二维平面生长，随着厚度的增加产生应变积累，导致在临界厚度时外延层转变为三维岛状生长以降低系统能量，终形成了均匀且无位错的量子点。通过优化生长条件，可使量子点尺寸的不均匀性≤10%,密度控制在10 8-1011cm-2。
要充分发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用，实现其大小、形状的人工调控是非常必要的。
人们已在利用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展[6]，而这对终实现大小和形状的均一化是非常有利的。目前，人们提高S-K量子点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。
2 纵向输运器件
量子点共振隧穿器件是典型的基于电子在平行于量子点生长方向上的输运特性制成的纵向输运器件。目前量子阱共振隧穿
二极管（RTD）已可以与CMOS器件混合集成[7]，而量子点RTD尚处于基础研究阶段[8,9]。常见的量子点RTD为双势垒结构，势垒之间为量子点有源区，势垒两侧为发射极和集电极。加一定偏压时，能带发生倾斜，原本较低的发射极电子费米能级达到或高于了量子点电子基态能级，电子便有较大概率共振隧穿通过双势垒结构。继续增大偏压使量子点电子基态能级低于发射极导带底时，共振隧穿截止，出现负微分电阻现象。随偏压的升高，电子还可与量子点电子激发态能级共振，使电流-电压曲线呈现振荡或台阶特性。瑞典隆德大学Samuelson小组[10]在自组装 InAs/InP量子点共振隧穿I-V曲线中获得了高达85的峰谷比。由于RTD有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗等优点，它已成为纳米电子学中负期望的器件，更全面的综述可以参看文献[11]和[12]。
日本东京大学Sakaki小组[13-16]研制的一种单量子点RTD的结构和能带示于图1[13]。由于自组装量子点大小、形状尚不是非常均一，若有源区量子点数目过大，这种不一致性将使器件电学性能变差。为减小器件中点的数目，必须降低其生长密度[16] 。通过调节MBE生长条件，InAs量子点的面密度可减至108cm-2量级 [16]，有源区即采用了这种技术。通过电子束光刻,RTD被制成边长0.5μm的正方形。当无共振隧穿现象时，热电流占主导地位，而且它与有源区面积成正比。因此，通过对比测量非共振条件下不同大小RTD的电流，可以推算出距正方形边缘0.17μm以内为耗尽区（由于半导体表面态的影响，浅层的载流子浓度很小）。所以，该器件有源区面积仅为0.16μm见方，考虑到量子点面密度为4×108cm-2,得到有源区平均量子点数为0.12。凡检测到共振隧穿效应的RTD，其有源区点数必为1，即所谓单量子点RTD。 130K时用AFM导电探尖测得的四条I-V曲线，分别对应于四个探测点，它们只有微小差别，说明该 RTD性能比较可靠。只有在反向偏置时，隧穿电流才居主导地位。所示的是肖特基结正向偏置的情形，虽然此时热电流占优势，而且测量温度较高（130K），但是也得到了一个低的共振隧穿电流峰。总之，单量子点器件是纳米电子学的重要课题之一。
3 横向输运器件
随着
集成电路工艺的迅猛发展，其基本元件场效应管的特征尺寸必然进入纳米量级，器件将脱离经典原理而表现出量子性质。在纳米加工学基础上，人们已开始研究单电子
晶体管（SET），它与传统晶体管的差别有如滴定阀门与水龙头的差别。拧水管可以调控水量（栅极控制），但却难以进行滴定管那样的细调。由于库仑阻塞效应，电子只能逐个通过器件，呈现单电子（或准单电子）输运行为。近，利用量子点研制的单电子晶体管已经有10meV以上的电子增加能（库仑阻塞效应中，库仑充电能和新增电子的量子动能之和称为电子增加能，是衡量充电效应能量范围的较通用参数），有的甚至超过100meV，在室温下可观测显著的库仑阻塞振荡特性[17，18]。一些基于自组装半导体量子点横向输运性质的基础研究[19，20] 往往采用量子点和量子阱耦合的结构[20]。在这些器件中，通过量子点中注入的载流子对量子阱沟道中二维电子气（2DEG）输运的调制作用可以获得预期的电流- 电压特性（振荡、台阶等）。
英国剑桥大学[21-23]研制的一种利用量子点对场效应管进行浮栅调控的单光子探测器的结构 。自组装量子点有源区与GaAs量子阱沟道耦合，中间隔有薄Al 0.33Ga0.67As势垒。源和漏电极是AuGeNi欧姆接触，栅极是用7nmNiCr制成的半透明肖特基接触（未画出）。由于量子点电子基态能级低于GaAs沟道的导带边，所以每个点都能俘获几个电子，相当于对量子点进行负性充电。这些负电荷将产生排斥势，散射沟道内的电子，造成较低的电子迁移率（电导下降）。当 2DEG的电导较低时，沟道电流对量子点的过剩电荷更为敏感。此时若用光束透过栅极照射，将会在器件中产生电子空穴对，量子阱内的光生空穴在内电场作用下将隧穿入量子点并与过剩电子复合。同时，阱内的光生电子则保留在2DEG中。因此，光照可减少量子点内过剩电子数目（相当于对量子点放电）和增加两维电子气密度，从而减轻量子点负电性对沟道电流的散射作用，使电导测量值上升。若有源区量子点数目足够少，我们就可检测出一个量子点俘获单个光生载流子引起的2DEG电导变化，从而进行单光子探测。图4[21]显示了在工作电流为 2μA的LED辐照下2DEG电导随时间的变化。利用一个大面积光电二极管测到的光生电流推算，照射到场效应管栅极上的光子束流约7.5光子/s。进行单光子探测前先加10s 0.76V栅压对量子点充电，以创造源－漏低电导的初始条件。图4中电导图线有一系列方阶，每次阶跃都系单光子辐射引发一个量子点放电所致。虽然该探测器量子效率仅为0.48％，尚远低于传统方法[24]，但毕竟是一种全新的探索。导致低探测率的原因主要是大多数光子直接透过量子阱被衬底吸收，今后可用增加厚的吸收层和提高栅极材料透明度方法加以优化。在量子点与量子阱耦合结构中，电流主要集中在量子阱内。至于电子直接通过单个或多个量子点输运的器件，读者可参阅文献[17]-[19]。
4 结语
近年来，自组装半导体量子点的光学应用已有长足进步[25]，但其电学性质的研究尚在起步阶段。目前困难主要集中于三个方面：首先，人们尚不能控制量子点的形状、尺寸、面密度和体密度。采用图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术可使量子点均匀性得到提高，但仍未达到令人满意的程度。其次，量子点生长技术较成熟的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体虽有高电子迁移率和较小的电子有效质量，但由于其表面态密度较大和无良好的隔离介质膜而并非理想的纳米电子材料。硅基半导体 [26]兼具低表面态密度和硅高纯、完整的优点，若能解决介质隔离问题，有望成为材料之一。第三，现有纳米加工技术还不能满足器件制备的需要。纳米电子器件的大规模集成（109-1010 /cm2）要求快速、廉价、准确地对它们进行加工和连接。发展在纳米尺度上、高速和无损的加工工艺与相应装置是实现量子点纳米电子器件产业化的主要难点之一。
世纪之交，电子器件特征尺寸将由微米向纳米过渡。有人[27]从理论上指出了微
电子元件的物理极限，《科学》杂志更是预测了新一代纳米计算机[28] 。30多年来，我国在集成电路领域一直处于被动地位，但面临新兴的纳米电子学，我们却与西方面临同样的机遇。基于自组装半导体量子点的纳米电子器件性能优越，应用背景明确，它的研制必将使我国在一个高起点上参与国际竞争，取得主动地位。
