1、半导体δ掺杂：材料与器件的电子、光学和结构特性

半导体δ掺杂：材料与器件的电子、光学和结构特性

一、引言

半导体器件和集成电路的空间尺寸小型化能够带来速度提升、功耗降低以及功能密度提高等优势。然而，器件缩小面临着材料科学、生长和加工等方面的限制，同时量子领域的物理极限也为缩小过程划定了边界。因此，推动材料科学发展，缩小半导体结构的空间尺寸，并理解限制进一步缩小的物理机制，是当下及未来半导体研究的重要内容。

当半导体中的掺杂原子被限制在单个或几个原子层内时，掺杂区域的厚度与晶格常数相当，仅为几埃，这种掺杂分布比其他长度尺度（如自由载流子德布罗意波长）更窄，可用狄拉克δ函数来描述，这类半导体被称为δ掺杂半导体。

实验上，δ掺杂半导体可通过中断晶体生长，在非生长的外延晶体表面蒸发掺杂剂，然后恢复外延生长来获得。1979年，Bass首次报道了这种生长中断的掺杂剂沉积方法，发现Si在非生长的GaAs表面有强烈吸附，形成了尖锐的掺杂尖峰。1980年，Wood等人意识到这种方法的多功能性，提出可通过“原子平面”或δ掺杂实现复杂的掺杂分布，且Ge掺杂GaAs可减少自补偿。不过，早期研究未关注掺杂剂的扩散问题，直到1985年，Lee等人发现δ掺杂半导体中存在扩散现象。1988年，Schubert等人表明在生长温度低于550°C时，GaAs中可实现高度空间受限的Si掺杂分布，且Si掺杂剂被限制在厚度与晶格常数相当的层内。

δ掺杂技术在半导体器件中具有诸多应用。δ掺杂金属 - 半导体场效应晶体管（MESFET）相较于均匀掺杂的MESFET，具有沟道 - 栅极距离窄、跨导高和击穿电压增强等优点。在选择性掺杂的AlₓGa₁₋ₓAs/GaAs异质结构中应用δ掺杂，可获得超过1×10¹² cm⁻²的高电子密度。此外，δ掺杂技术还可用于平