[发明专利]一种基于自组织量子点的存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件领域，具体涉及一种基于自组织量子点的存储器及其制备方法。

背景技术

在当今的半导体存储器市场上，有两种重要的产品：动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash Memory)。其中DRAM以其读、写、擦除速度快(～20nm)，寿命长的优点(～10¹⁵ write/erase cycles)长期以来一直作为计算机最常见的内存，与中央处理器(CPU)直接交换数据。但是DRAM只能将数据保持很短的时间(～ms)，即它是挥发性的(volatile)，为了保持数据必须隔一段时间刷新(refresh)一次，如果存储单元没有被刷新，例如断电，存储的信息就会丢失。与此同时DRAM耗电量很大。这两个缺点使得它不适合移动应用场合。

Flash作为一种非挥发性(Non-volatile)存储器可以存储数据达十年以上，并且在信息存储期间不消耗电能，特别适合便携式应用，如数码相机、手机、mp3播放器等，成为增长最快的存储器市场。最常见的Flash是硅基悬浮栅结构，电子存储在两个二氧化硅(SiO₂)势垒之间的多晶硅层内(Ploy-silicon)。这两层SiO₂势垒实现非挥发性存储的同时，也造成Flash的两个很大缺点。一是写入时间较长(～ms)，二是寿命短(～10⁶write/erase cycles)。一种结合DRAM和Flash优点，存储密度更大，耗电更低的存储器是当前研发的一个热点。

其中基于量子点的存储器是其中一个很有希望的候选者。作为一种可限制电子/空穴的零维结构，量子点无论在固体物理还是器件工程研究中都具有重要的意义。

目前实现10nm量级、高密度、高均匀性量子点最有前景的制备方法是Stranski-Krastanov(S-K)外延生长模式。在这种方法中，一种材料被沉积在晶格不匹配的衬底之上，当外延材料的厚度超过临界厚度以后，外延材料将通过成岛的形式释放应力，而这些岛状结构即量子点。现在由此种方法可实现量子点生长的材料组合主要包括：InAs/InGaAs沉积到GaAs衬底上；InP沉积到InGaP上；InSb/GaSb/AlSb沉积到GaAs衬底上，等。由于此种方法与MBE和MOCVD等外延生长技术相兼容，因而成为目前在器件中获取量子点的主流方法。

本发明提出了一种包含量子点的存储器件结构，结构简单，制备工艺与现有工艺体系兼容，综合了目前市场上两大主流存储器，即动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash Memory)的优点，具有读、写、擦除速度快，寿命长，工作电压较低，可实现非挥发性存储等优点，此外由于一个量子点仅储存数个甚至单个载流子，预示着以量子点为存储单元可能显著减小耗电。该器件结构也是一种实现高速逻辑的可行方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于自组织量子点的存储器及其制备方法。其特点是：一，利用量子点作为载流子存储单元，一个信息位(bit)的两种状态(“0”和“1”)用量子点(QD)的两种充电状态来表示。二，量子点位于p-n结耗尽区之内，利用耗尽区实现存储器的两种操作，“存储”和“写入”。三，一个二维电子气(2DEG)沟道层位于量子点层之下，通过其实现存储器的“擦除”和“读出”操作。在该结构中量子点类似于Flash中的悬浮栅结构，以限制空穴为例，当量子点充空穴时2DEG沟道层处于低阻态；当量子点不带电荷或者充电子时，2DEG沟道层处于高阻态。通过对器件进行操作实现量子点的不同充电状态，从而实现表示信息的“1”态和“0”态。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于自组织量子点的存储器，该存储器包括纵向的多层外延材料结构和在该多层外延材料结构表面制备的类似场效应晶体管结构。

上述方案中，所述多层外延材料结构采用外延技术在衬底上顺序生长而成，在衬底上由下至上依次包括：应力缓冲层，底电极接触层，包含中掺杂层、δ掺杂层和间隔层的调制掺杂结构，沟道层，第一势垒层，自组织生长的量子点层，第二势垒层和帽层，其中，底电极接触层采用p型重掺杂，调制掺杂结构中的中掺杂层采用p型中掺杂，调制掺杂结构中的δ掺杂层采用n型掺杂，调制掺杂结构中的间隔层采用p型掺杂，量子点层和沟道层不掺杂，第一势垒层和第二势垒层采用p型掺杂，帽层采用n型重掺杂。