專利名稱：量子點(diǎn)器件的三端電測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于量子點(diǎn)器件的表征，特別是涉及一種含有二維電子氣的量子點(diǎn)器件的測(cè)量表征。
我們?cè)O(shè)計(jì)了類歐姆接觸的肖特基接觸的量子點(diǎn)器件，采用三端測(cè)量的方法，對(duì)量子點(diǎn)和二維電子氣的輸運(yùn)特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。我們發(fā)現(xiàn)三端測(cè)量法可分別測(cè)量二維電子氣電阻和量子點(diǎn)隧穿電阻。對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，僅能得到量子點(diǎn)隧穿電阻和二維電子氣電阻的總和，如果需要對(duì)各自單獨(dú)的特性進(jìn)行研究，原來(lái)的測(cè)量法就不在實(shí)用了。本發(fā)明用到的三端測(cè)量法建立在傳統(tǒng)兩端測(cè)量法的基礎(chǔ)上，可分別測(cè)出各具體量，并可指導(dǎo)進(jìn)一步完善器件結(jié)構(gòu)，提升器件性能。
本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決利用傳統(tǒng)測(cè)量法無(wú)法測(cè)出復(fù)合量子點(diǎn)器件中的各具體量問(wèn)題而提供一種利用薄的肖特基接觸作為量子點(diǎn)納米器件的歐姆接觸引線，并采用三端測(cè)量方法分別測(cè)量量子點(diǎn)器件的各具體量，以便于進(jìn)一步完善器件結(jié)構(gòu)，提升器件性能。
本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種量子點(diǎn)器件三端測(cè)量方法包括下述步驟(a)在量子點(diǎn)器件表面采用薄的肖特基接觸；(b)在量子點(diǎn)器件上設(shè)三個(gè)電極，量子點(diǎn)隧穿電阻和二維電子氣電阻可通過(guò)其等效電路由如下公式給出R1＝RM+RQ+R12，R2＝RM+RQ，R3＝RM+RQ+R23，式中R1、R2、R3分別為三個(gè)電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻，RM為電極與量子點(diǎn)器件半導(dǎo)體層的接觸電阻，RQ為量子點(diǎn)的隧穿等效電阻；(c)讓電極1接地，在電極2上施加恒定的偏壓，電極3加掃描偏壓，然后對(duì)量子點(diǎn)器件上的電極進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)電極2加恒定偏壓V2時(shí)，由于電極3施加掃描電壓V3，故由測(cè)量?jī)x器可繪出在某一恒定偏壓V2下，與掃描電壓V3對(duì)應(yīng)的電阻R3上的電流I3的Log曲線和對(duì)應(yīng)的電阻R2上的電流I2的Log曲線；(d)在上述的Log(I)-V曲線中，當(dāng)偏壓V2不為0，掃描電壓V3為0時(shí)，I2、I3均不為0，此時(shí)Log(I2)和Log(I3)曲線均不出現(xiàn)峰值；而當(dāng)I2＝0，此時(shí)Log(I2)才出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3的值與V3為0V時(shí)有一移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I2為0時(shí)的掃描電壓V3的電壓值也即V3″，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則 又當(dāng)I3＝0時(shí)，在上述的Log(I)-V曲線中，Log(I3)也出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3相對(duì)于V3為0V時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I3為0時(shí)的掃描電壓V3的值即V3＇，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則
由于V3′、V3″均可由Log(I)-V曲線查得，而V2又為固定值，則由上述(1)、(2)式可分別得出R2/R1和R3/R1的比值；(e)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極3的測(cè)量端，測(cè)量電極1、2端的電壓VA和電流IA，根據(jù)電流回路模型，可得出式(3)R1+R2＝VA/IA，(f)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極2的測(cè)量端，測(cè)量電極1、3端的電壓VB和電流IB，根據(jù)電流回路模型，可得出式(4)R1+R3＝VB/IB，(e)根據(jù)上述式(1)、(2)、(3)、(4)可以計(jì)算出電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻R1、R2、R3，并由上述(b)步及已知的電阻R1、R2、R3值計(jì)算出量子點(diǎn)二維電子電阻R12、R23。
當(dāng)測(cè)量的量子點(diǎn)器件為密集型器件時(shí)，各測(cè)量電極的間距至少大于5nm。
所述的在量子點(diǎn)表面采用薄的肖特基接觸即在量子點(diǎn)層上生長(zhǎng)一薄的蓋冒層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的測(cè)量方法可全部得出量子點(diǎn)器件的各具體量；可用來(lái)診斷材料的質(zhì)量，包括量子點(diǎn)的密集程度、分布的均勻性和量子點(diǎn)大小的漲落等；也可判斷二維電子氣的濃度和遷移率的高低；對(duì)完善量子點(diǎn)器件的結(jié)構(gòu)、提升器件性能可提出有利的指引作用；本發(fā)明的方法操作方便，測(cè)試簡(jiǎn)單。
1-半導(dǎo)體蓋冒層2-量子點(diǎn)層3-半導(dǎo)體層4-摻雜層5-襯底與緩沖層6-電極17-電極28-電極39-電極與半導(dǎo)體的接觸電阻Rи10-量子點(diǎn)的等效電阻RQ11-電極1、2間二維電子氣等效電阻R1212-電極2、3間的二維電子氣等效電阻R23圖2是密集型量子點(diǎn)器件的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是稀疏型量子點(diǎn)器件的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是掃描電壓V3以0.4mV的步進(jìn)從-200mV掃描到+200mV，恒定偏壓V2從左到右依次取-10mV、0V、+10mV時(shí)的Log(I)-V曲線圖。
圖5是本發(fā)明的各電極處的等效電路圖。
圖6(a)是掃描電壓V3的掃描范圍為-200mV到200mV，恒定偏壓V2取-10mV時(shí)的Log(I3)-V3隨光強(qiáng)變化的曲線，圖6(b)是恒定偏壓V2取+10mV時(shí)的Log(I3)-V3隨光強(qiáng)變化的曲線。
圖7是Log(I3)的最小值的位置相對(duì)掃描電壓V3為0V的移動(dòng)量A與光強(qiáng)的關(guān)系曲線。
圖8是掃描電壓V3的掃描范圍為-200mV到200mV，恒定偏壓V2從左到右依次取-10mV、0V、10mV、20mV時(shí)的Log(I)-V曲線。
圖9(a)是掃描電壓V3的掃描范圍為-200mV到200mV，V2取-10mV時(shí)電阻值隨測(cè)量點(diǎn)1的位置改變的曲線；圖9(b)是電阻值隨測(cè)量點(diǎn)3的位置改變的曲線。
為避免歐姆接觸制備過(guò)程中沉積金屬向量子點(diǎn)的滲透而引起量子點(diǎn)質(zhì)量的退變，在這里采用薄的肖特基接觸代替常規(guī)的歐姆接觸作為器件的電極。在InAs量子點(diǎn)層上僅生長(zhǎng)了4nm厚的GaAs蓋冒層，使電子很容易隧穿通過(guò)肖特基勢(shì)壘進(jìn)入量子點(diǎn)。小偏壓下的I-V測(cè)量結(jié)果表明這種薄層的肖特基接觸的確可用來(lái)取代常規(guī)的歐姆接觸而作為器件的引線。
(b)量子點(diǎn)隧穿電阻和二維電子氣電阻可通過(guò)其等效電路由如下公式給出R1＝RM+RQ+R12，R2＝RM+RQ，R3＝RM+RQ+R23，式中R1、R2、R3分別為三個(gè)電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻，RM為電極與量子點(diǎn)器件半導(dǎo)體層的接觸電阻，RQ為量子點(diǎn)的隧穿等效電阻；(c)讓電極1接地，在電極2上施加恒定的偏壓，電極3加掃描偏壓，然后對(duì)量子點(diǎn)器件上的電極進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)電極2加恒定偏壓V2時(shí)，由于電極3施加掃描電壓V3，故由測(cè)量?jī)x器可繪出在某一恒定偏壓V2下，與掃描電壓V3對(duì)應(yīng)的電阻R3上的電流I3的Log曲線和對(duì)應(yīng)的電阻R2上的電流I2的Log曲線；(d)在上述的Log(I)-V曲線中，當(dāng)偏壓V2不為0，掃描電壓V3為0時(shí)，I2、I3均不為0，此時(shí)Log(I2)和Log(I3)曲線均不出現(xiàn)峰值；當(dāng)I2＝0，此時(shí)Log(I2)出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3的值與V3為0V間有一移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I2為0時(shí)的掃描電壓V3的電壓值也即V3″，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則 又當(dāng)I3＝0時(shí)，在上述的Log(I)-V曲線中，Log(I3)也出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3相對(duì)于V3為0時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I3為0時(shí)的掃描電壓V3的值也即V3′，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則 由于V3＇、V3″均可由Log(I)-V曲線查得，而V2又為固定值，則由上述(1)、(2)式可分別得出R2/R1和R3/R1的比值；
(e)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極3的測(cè)量端，測(cè)量電極1、2端的電壓VA和電流IA，根據(jù)電流回路模型，可得出式(3)R1+R2＝VA/IA，(f)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極2的測(cè)量端，測(cè)量電極1、3端的電壓VB和電流IB，根據(jù)電流回路模型，可得出式(4)R1+R3＝VB/IB，(e)根據(jù)上述式(1)、(2)、(3)、(4)可以計(jì)算出電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻R1、R2、R3，并由上述(b)步及已知的電阻R1、R2、R3值計(jì)算出量子點(diǎn)二維電子電阻R12、R23。
選定的三個(gè)待測(cè)電極需要在一條直線上，這樣的測(cè)量更為準(zhǔn)確。
測(cè)量時(shí)的電極上所加的偏壓不能過(guò)大，以避免量子點(diǎn)的充放電效應(yīng)造成測(cè)量誤差。
本發(fā)明適用多種類型量子點(diǎn)器件的測(cè)量，其中主要包括兩種類型的(1)量子點(diǎn)密集型器件；(2)量子點(diǎn)稀疏型器件。對(duì)于量子點(diǎn)密集型器件，當(dāng)測(cè)量電極相距很近時(shí)，量子點(diǎn)間會(huì)有很強(qiáng)的橫向耦合作用，器件的電輸運(yùn)特性主要由量子點(diǎn)的橫向耦合控制，這時(shí)計(jì)算出的R1和R3中的R12和R23實(shí)際是二維電子氣和橫向量子點(diǎn)并聯(lián)的電阻值。所以要測(cè)量量子點(diǎn)密集型器件的各具體量，測(cè)量電極間的間距必須大于某個(gè)值，以消除掉量子點(diǎn)間橫向耦合作用，使電子主要由電極-量子點(diǎn)-二維電子氣-量子點(diǎn)-電極這條路徑傳輸。對(duì)于量子點(diǎn)稀疏型器件，由于量子點(diǎn)間的間距很大，電子要通過(guò)橫向量子點(diǎn)耦合輸運(yùn)幾乎不可能，所以，量子點(diǎn)稀疏型器件的測(cè)量對(duì)電極的間距沒(méi)有要求。
本實(shí)施例的效果可通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)實(shí)施例來(lái)證實(shí)實(shí)施例1實(shí)施例1中用到的材料結(jié)構(gòu)是由MBE方法生長(zhǎng)的，參照?qǐng)D2，使用了摻Si的n+襯底，器件結(jié)構(gòu)由下至上包括1.0μmn+-GaAs緩沖層，摻雜濃度為1.0×1018cm-3；70nmAl0.3Ga0.7As/GaAs超晶格勢(shì)壘，其中Al0.3Ga0.7As厚度為5nm，GaAs為2nm，共10周期。即完成了襯底與緩沖層5的制備；δ-Si摻雜層4，摻雜后的載流子面密度為5.0×1011cm-2；4nmGaAs層即半導(dǎo)體層3；InAs量子點(diǎn)層2，4nmGaAs蓋冒層即半導(dǎo)體蓋冒層1。量子點(diǎn)是在襯底旋轉(zhuǎn)的條件下生長(zhǎng)的，InAs淀積量為1.8ML。器件生長(zhǎng)完成從MBE設(shè)備中取出后，在襯底表面光刻蒸發(fā)Au電極6、7和8，形成肖特基接觸。I-V曲線測(cè)試在三個(gè)表面的金屬電極6、7、8之間進(jìn)行。每個(gè)金屬電極的大小是300μm×300μm，電極間的間隔為50μm。
為避免歐姆接觸制備過(guò)程中沉積金屬向量子點(diǎn)的滲透而引起量子點(diǎn)質(zhì)量的退變，在這里采用薄的肖特基接觸代替常規(guī)的歐姆接觸作為器件的電極。在InAs量子點(diǎn)層上僅生長(zhǎng)了4nm厚的GaAs蓋冒層，使電子很容易隧穿通過(guò)肖特基勢(shì)壘進(jìn)入量子點(diǎn)。小偏壓下的I-V測(cè)量結(jié)果表明這種薄層的肖特基接觸的確可用來(lái)取代常規(guī)的歐姆接觸而作為器件的引線。
在無(wú)光情況下測(cè)量。樣品室處于真空狀態(tài)，壓強(qiáng)為5.5×10-6±0.5×10-6mbar。電極1接地，電極2、3分別加偏壓V2、V3，掃描電極3端。圖4為V2取不同的偏壓時(shí)，對(duì)V3掃描得出的Log(I)-V曲線圖。V3以0.4mV的步進(jìn)從-200mV掃到+200mV，V2從左到右依次取-10mV、0V、+10mV。圖中，當(dāng)V2加不同的偏壓時(shí)，Log(I3)和Log(I2)的峰出現(xiàn)的位置相對(duì)橫坐標(biāo)原點(diǎn)有不同的移動(dòng)量，而且Log(I2)的移動(dòng)大于Log(I3)的移動(dòng)。
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比列出，見表1?？梢钥吹疆?dāng)V3、V2同時(shí)加正偏壓或同時(shí)加負(fù)偏壓時(shí)，I1的值較大，I3、I2較?。划?dāng)V3、V2加正負(fù)相反的偏壓時(shí)，I1較小，I3、I2較大；當(dāng)V3的偏壓為0V，V2取大小相等、正負(fù)相反的偏壓時(shí)，I1、I3、I2的值大小相同。由以上數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以將量子點(diǎn)器件的電路等效為圖5所示的電路模型。表1三端測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)量子點(diǎn)的等效電阻為RQ，金電極與半導(dǎo)體的接觸電阻為RM，1與2間、2與3間的二維電子氣等效電阻分別為R12、R23。定義R3＝RM+RQ+R23，R2＝RM+RQ，R1＝RM+RQ+R12。根據(jù)圖5的等效電路可以很清楚的解釋電流的大小與電壓的關(guān)系以及Log(I3)，Log(I2)的峰值移動(dòng)現(xiàn)象。
當(dāng)V3、V2同為正偏壓或同為負(fù)偏壓時(shí)，V3、V2相當(dāng)于兩個(gè)背靠背或面朝面的電源，總電源等于兩電源的差，所以電極3、2間電流的值較?。划?dāng)V3、V2加的偏壓的正負(fù)性不同時(shí)，V3、V2相當(dāng)于兩個(gè)串聯(lián)的電源，所以電極3、2間電流的值較大。再來(lái)討論I1值的變化，由于電極1端接地，I1的值粗略近似為電極3、2電位之和與電阻的比值，即I1=V3+V2R,]]>|V3+V2|(V3、V2同號(hào)))|V3+V2|(V3、V2)異號(hào)，所以I1的值在V3、V2同為正偏壓或同為負(fù)偏壓時(shí)較大。最后，當(dāng)V3的偏壓為0V時(shí)，I1、I3、I2的值由V2決定，所以V2＝±10mv只改變電流方向而大小基本不變。
接著，可以來(lái)定量的計(jì)算一下移動(dòng)的大小與V3、V2的偏壓以及電阻間的關(guān)系。在Log(I)-V曲線中，橫軸是掃描電壓V3，縱軸是對(duì)I3或I2取絕對(duì)值、再取對(duì)數(shù)得到的，所以曲線中峰出現(xiàn)的位置也就是I3、I2＝0的位置。那么為什么這時(shí)的峰值不在V3＝0V時(shí)產(chǎn)生，而是有一定的移動(dòng)呢 因?yàn)楫?dāng)V3＝0V時(shí)，I3=I2·R1R1+R3=V2R2+R1·R3R1+R3·R1R1+R3=V2·R1R2(R1+R3)+R1R3≠0,]]>所以峰值不出現(xiàn)。設(shè)I3＝0，V3＝V3′時(shí)，則按各電極處形成的電路回路模型，可得出 在V3′處，Log(I3)曲線出現(xiàn)峰值，峰值的移動(dòng)量等于V3′，很明顯，V3′＜V2，即移動(dòng)量小于V2的取值。
由式(1)，可以推出①當(dāng)R1＞＞R2時(shí)，V3′≈V2；②當(dāng)R1＜＜R2時(shí)，V3＇→0；③當(dāng)R1與R2可比時(shí)，V3＇與V2成一定的比例關(guān)系。同樣的，當(dāng)V3＝0V時(shí)，I2≠0，Log(I2)也不產(chǎn)生峰值。設(shè)I2＝0，V3＝V3″時(shí)，則按各電極處形成的電路回路模型，可得出 在V3″處，Log(I2)曲線出現(xiàn)峰值，峰值的移動(dòng)量等于V3″，很明顯，V3″＞V2，即移動(dòng)量大于V2′的取值。
由式(2)，可以推出①當(dāng)R1＞＞R3時(shí)，V3″≈V2；②當(dāng)R1＜＜R3時(shí)，V3″→∞；③當(dāng)R1與R3可比時(shí)，V3″與V2成一定的比例關(guān)系。對(duì)比式(1)和式(2)，可得出V3′＜V2＜V3″，所以在Log(I)-V曲線中，可以明顯觀察到Log(I2)的移動(dòng)大于Log(I3)的移動(dòng)。
我們?cè)趯?shí)施例1的器件上改變測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了多次測(cè)量分析，這樣就可以粗略計(jì)算出R1、R3和R2的大小。在恒定電壓V2及掃描電壓V3不變的條件下，首先，抬起電極3端，測(cè)量電極1、2端的電壓VA與電流IA，就可以得出電極1、2端的電阻，即R1+R2＝VA/IA(3)接著，放下電極3端，抬起電極2端，測(cè)量電極1、3端的電壓VB與電流IB，就可以得出1、3端的電阻，即R1+R3＝VB/IB(4)然后，聯(lián)立式(1)和式(2)，在數(shù)據(jù)表中查到V3′、V3″、V2，就可以解出R1、R3和R2。表2給出了一組計(jì)算值。表2

比較R1、R3和R2，發(fā)現(xiàn)R1、R3比R2大一個(gè)數(shù)量級(jí)，R1和R3是相同數(shù)量級(jí)的。這可能是由兩種機(jī)制導(dǎo)致(1)量子點(diǎn)的充放電效應(yīng)，(2)量子點(diǎn)的橫向強(qiáng)耦合作用。一旦量子點(diǎn)俘獲電子即充電后，量子點(diǎn)的靜電勢(shì)能將會(huì)被抬高。這樣，每個(gè)充電的量子點(diǎn)都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的庫(kù)侖島，對(duì)流過(guò)的電流有阻礙作用。當(dāng)V3、V2取大小相同，正負(fù)相反的偏壓時(shí)，R1、R3和R2的值應(yīng)該有量級(jí)的差別，而表2中的點(diǎn)的R1變化不超過(guò)0.1％，R3變化不超過(guò)1.34％，R2變化不超過(guò)19.97％，所以量子點(diǎn)的充放電效應(yīng)在這里不起主要作用。由于量子點(diǎn)的橫向強(qiáng)耦合作用，這里計(jì)算出的R1和R3中的R12和R23實(shí)際是二維電子氣和橫向量子點(diǎn)并聯(lián)的電阻值。因?yàn)镽1、R3不僅包含量子點(diǎn)的電阻RQ、金電極與半導(dǎo)體的接觸電阻RM，還包含了R12和R23，所以R1、R3比R2大。由此可以知道二維電子氣的阻值是很大的，而且，可以解釋一般情況下的測(cè)量曲線中，Log(I3)的峰值移動(dòng)量趨近于V2，而Log(I2)的峰值移動(dòng)量與V2成一定比例關(guān)系。
實(shí)施例2實(shí)施例2是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上加光照情況下的測(cè)量，測(cè)量器件和測(cè)量電極都與實(shí)施例1相同。圖6是器件在無(wú)光和光逐漸增強(qiáng)時(shí)的Log(I3)-V曲線對(duì)比圖。
圖6給出了不同光強(qiáng)下的Log(I3)-V3結(jié)果。隨光照強(qiáng)度的增加，Log(I3)曲線逐漸上移，最小值對(duì)應(yīng)的V3有微小移動(dòng)。在無(wú)光照下，V2＝0V時(shí)，Log(I3)的最小值正好在0V。我們定義V2≠0時(shí)或光照下Log(I3)的最小值的位置相對(duì)0V的移動(dòng)量為A。由圖7可知，當(dāng)光強(qiáng)小于3時(shí)A隨光強(qiáng)的增加幾乎無(wú)變化，當(dāng)光強(qiáng)增加到3后，A隨光強(qiáng)的增加而明顯減小。當(dāng)有光照射半導(dǎo)體器件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光生載流子，增大了二維電子氣的載流子濃度，從而使所對(duì)應(yīng)的二維電子氣的電阻可能減小。所生長(zhǎng)的含量子點(diǎn)的二維電子氣的遷移率一般都很小，本實(shí)驗(yàn)樣品的遷移率小于103cm2/Vs，且二維電子氣的濃度小于1×1011cm-2。因?yàn)槎S電子氣的濃度很稀薄，溝道中的電子數(shù)很少，電子一般只在基態(tài)能級(jí)上分布，這時(shí)的載流子遷移率主要受量子點(diǎn)的散射影響。光照后，二維電子氣的濃度增加，增強(qiáng)了電子對(duì)量子點(diǎn)散射的屏蔽作用，所以光照可提升遷移率。這相當(dāng)于減小了二維電子氣的電阻值。由于R1包含二維電子氣的電阻，所以 的比值增大。由式(1)，當(dāng) 增加時(shí)，V3″減小，即峰值的移動(dòng)減小實(shí)施例3實(shí)施例3是跨器件的測(cè)量結(jié)果及討論。
為了測(cè)量長(zhǎng)的路徑對(duì)輸運(yùn)的影響，用金絲壓焊法測(cè)量器件顯得較為復(fù)雜，實(shí)施例3中采用原位探針?lè)▽?duì)器件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)只需在要測(cè)的電極處壓下探針即可，由于探針可隨意移動(dòng)，且范圍可以從2μm到3cm，所以一般的遠(yuǎn)端測(cè)量都采用原位探針?lè)?。每個(gè)金屬電極的大小是300μm×300μm，在同一器件中電極間的間隔為50μm，不同器件的相對(duì)應(yīng)位置電極間隔為3mm。將測(cè)量點(diǎn)調(diào)到不同的器件上，在無(wú)光情況下測(cè)量，樣品室仍處于真空狀態(tài)，壓強(qiáng)為7.0×10-6±0.5×10-6mbar。需要測(cè)量的電極1、2、3分別在3個(gè)器件上，測(cè)量點(diǎn)都定在不同器件的相同位置，1端設(shè)為接地，2端加恒定偏壓，3端加掃描偏壓。Log(I)-V曲線如圖8所示。
偏壓V3的掃描范圍是-200mV到200mV，V2從左到右依次取-10mV、0V、10mV、20mV。圖中可以觀察到Log(I3)曲線的峰值移動(dòng)較小，大概為V2取值的一半以上；而Log(I2)的峰值移動(dòng)較大，大概為V2取值的1.88倍。在前面我們已經(jīng)討論過(guò)等效的電路模型并推導(dǎo)出了峰值的移動(dòng)公式。由公式可以計(jì)算得到R2R1≈0.47,R3R1≈0.88.]]>這時(shí)的測(cè)量電流比單器件測(cè)量時(shí)的要小3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣可以由公式(1)～(4)計(jì)算出這時(shí)的R1、R3和R2的值，計(jì)算結(jié)果為R1＝8.48×108(Ω)、R3＝5.088×10(Ω)8和R2＝2.123×108(Ω)。與單器件測(cè)量時(shí)的電阻R1、R3和R2相比較，可看出現(xiàn)在的電阻值有3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的增大。由于現(xiàn)在是跨器件測(cè)量，輸運(yùn)路程比單器件測(cè)量時(shí)要大，而且二維電子氣并不如理想情況下那么均勻，造成有的地方很難導(dǎo)通，所以這時(shí)的電阻值增大迅速。對(duì)于單器件的測(cè)量，計(jì)算所得的量子點(diǎn)和二維電子氣的阻值也可能比實(shí)際值小，這是因?yàn)閱纹骷y(cè)量中，各電極之間的距離相隔很近，實(shí)際電子的輸運(yùn)不只是電極-量子點(diǎn)-二維電子氣-量子點(diǎn)-電極這條路徑，電子還可能通過(guò)電極-量子點(diǎn)-電極輸運(yùn)和表面電流輸運(yùn)，所以計(jì)算得到的電阻值是量子點(diǎn)電阻、二維電子氣電阻和表面電阻的并聯(lián)。也就是說(shuō)，當(dāng)測(cè)量電極間的間隔很近時(shí)，量子點(diǎn)的橫向強(qiáng)耦合控制了輸運(yùn)特性。當(dāng)測(cè)量電極間距拉大后，量子點(diǎn)的橫向耦合不再起主導(dǎo)作用，電子的輸運(yùn)主要由電極-量子點(diǎn)-二維電子氣-量子點(diǎn)-電極這條路徑進(jìn)行。
因?yàn)闃悠分苽渚鶆?，每個(gè)器件內(nèi)部電極之間以及各個(gè)器件之間都是等間距的。依次改變測(cè)量點(diǎn)1或3的位置，觀察Log(I3)、Log(I2)峰值移動(dòng)的變化，就可以由公式推出輸運(yùn)過(guò)程中的等效電阻隨輸運(yùn)距離的變化，能更清楚的知道器件的輸運(yùn)特性以及二維電子氣和量子點(diǎn)的相對(duì)阻值。
我們?nèi)3的掃描范圍為-200mV到200mV，V2取-10mV。首先固定測(cè)量點(diǎn)2和3，均勻改變測(cè)量點(diǎn)1的位置，測(cè)量點(diǎn)1依次向上以一個(gè)器件的距離移動(dòng)。通過(guò)測(cè)量Log(I3)曲線的峰值移動(dòng)V3＇和Log(I2)的峰值移動(dòng)V3″，可由公式計(jì)算出一組 和 的值，如圖9a。 的值隨著測(cè)量點(diǎn)1與測(cè)量點(diǎn)2、3之間距離的增加先逐漸增大，在距離為4、5、6之間的比值幾乎不變化，當(dāng)距離繼續(xù)增加時(shí)，R1與R2的比值也繼續(xù)增大。 也有類似的變化趨勢(shì)，先隨距離的增加逐漸減小，當(dāng)距離增加到4、5、6時(shí)，比值有微量的增加，當(dāng)距離繼續(xù)增加時(shí)，R3與R1的比值又繼續(xù)減小。
接著，我們固定測(cè)量點(diǎn)1和2的位置，均勻改變測(cè)量點(diǎn)3與1、2間的距離。同樣可以測(cè)得一組移動(dòng)量V3′和V3″，由公式計(jì)算出相應(yīng)的 和 的值，如圖9b所示。在圖9中，可以觀察到 的值不隨測(cè)量點(diǎn)3位置的變化而變化， 的值一開始是增大的，然后隨距離的增加逐漸減小，等距離大于4后逐漸增大，在距離大于6后又減小。
當(dāng)固定2端和3端，逐漸改變1端的位置時(shí)，由電路模型可知R2、R3不變，R1隨距離的增加而增大，這樣理論上得出的結(jié)果是 逐漸增大， 逐漸減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中有一段與理論值不符合，這可能是由于樣品中的某些地方制備不均，造成了二維電子氣的短路，使電阻R1不但不增大反而減小。圖9中距離為4、5、6時(shí) 和 的變化可能是這種情況引起的。當(dāng)固定1端和2端，逐漸改變3端的位置時(shí)，R1和R2的值不變，R3隨距離的增加而增大，所以理論上 不改變， 逐漸增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)量值 不改變，與理論值符合較好，但是 的值在一范圍內(nèi)非線性變化。R3阻值的漲落可由以下兩方面引起①可能是因?yàn)槎S電子氣分布不均，造成有的地方導(dǎo)通，有的地方阻塞；②也可能是由于有些因素造成電極與半導(dǎo)體間的接觸電阻增大
權(quán)利要求
1.一種量子點(diǎn)器件三端測(cè)量方法，其特征在于包括下述步驟(a)在量子點(diǎn)器件表面采用薄的肖特基接觸；(b)在量子點(diǎn)器件上設(shè)三個(gè)電極，量子點(diǎn)隧穿電阻和二維電子氣電阻可通過(guò)其等效電路由如下公式給出R1＝RM+RQ+R12，R2＝RM+RQ，R3＝RM+RQ+R23，式中R1、R2、R3分別為三個(gè)電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻，RM為電極與量子點(diǎn)器件半導(dǎo)體層的接觸電阻，RQ為量子點(diǎn)的隧穿等效電阻；(c)讓電極1接地，在電極2上施加恒定的偏壓，電極3加掃描偏壓，然后對(duì)量子點(diǎn)器件上的電極進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)電極2加恒定偏壓V2時(shí)，由于電極3施加掃描電壓V3，故由測(cè)量?jī)x器可繪出在某一恒定偏壓V2下，與掃描電壓V3對(duì)應(yīng)的電阻R3上的電流I3的Log曲線和對(duì)應(yīng)的電阻R2上的電流I2的Log曲線；(d)在上述的Log(I)-V曲線中，當(dāng)偏壓V2不為0，掃描電壓V3為0時(shí)，I2、I3均不為0，此時(shí)Log(I2)和Log(I3)曲線均不出現(xiàn)峰值；當(dāng)I2＝0，此時(shí)Log(I2)出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3的值與V3為0V間有一移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I2為0時(shí)的掃描電壓V3的電壓值也即V3″，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則 又當(dāng)I3＝0時(shí)，在上述的Log(I)-V曲線中，Log(I3)也出現(xiàn)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓V3相對(duì)于V3為0時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)，其移動(dòng)值即為對(duì)應(yīng)I3為0時(shí)的掃描電壓V3的值也即V3′，根據(jù)量子點(diǎn)器件各電極處形成的等效回路模型，則 由于V3′、V3″均可由Log(I)-V曲線查得，而V2又為固定值，則由上述(1)、(2)式可分別得出R2/R1和R3/R1的比值；(e)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極3的測(cè)量端，測(cè)量電極1、2端的電壓VA和電流IA，根據(jù)電流回路模型，可得出式(3)R1+R2＝VA/IA，(f)在上述(d)步的電極2上所加固定偏壓不變，電極3的掃描電壓不變的條件下，斷開電極2的測(cè)量端，測(cè)量電極1、3端的電壓VB和電流IB，根據(jù)電流回路模型，可得出式(4)R1+R3＝VB/IB，(e)根據(jù)上述式(1)、(2)、(3)、(4)可以計(jì)算出電極1、2、3處對(duì)應(yīng)的等效電阻R1、R2、R3，并由上述(b)步及已知的電阻R1、R2、R3值計(jì)算出量子點(diǎn)二維電子電阻R12、R23。
2.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)器件三端測(cè)量方法，其特征在于當(dāng)測(cè)量的量子點(diǎn)器件為密集型器件時(shí)，各測(cè)量電極的間距至少大于5nm。
3.如權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)器件三端測(cè)量方法，其特征在于所述的在量子點(diǎn)表面采用薄的肖特基接觸即在量子點(diǎn)層(2)上生長(zhǎng)一薄的蓋冒層(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種量子點(diǎn)器件的三端電測(cè)量方法，其測(cè)量方法是利用在量子點(diǎn)表面形成一薄肖特基接觸，在量子點(diǎn)層上設(shè)三電極，其中一電極接地，一電極施加恒定偏壓，另一電極施加掃描電壓，由測(cè)量?jī)x器測(cè)出在恒定偏壓條件下的另一電極上掃描電壓對(duì)應(yīng)的電流Log曲線，由其計(jì)算出量子點(diǎn)隧穿電阻和量子點(diǎn)二維電子氣電阻；本發(fā)明可全部測(cè)出量子點(diǎn)器件的各具體量，從而可用來(lái)判斷量子點(diǎn)的密集程度、分布的均勻性和量子點(diǎn)大小的漲落，也可判斷二維電子氣的濃度和遷移率的高低，還可指導(dǎo)進(jìn)一步完善器件結(jié)構(gòu)，提升器件性能。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1464542SQ0212346
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者竺云, 王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所