（凝聚态物理专业论文）调制掺杂gaasalgaas+2deg和inas量子点材料的制备及特性研究.pdf

摘要 导致的量子点的双模分布的问题。 利用室温p l 谱高斯拟合双峰之间间距的变化， 研究了量子点生长温度 汀匕 4 6 0 一 5 00) 和生长速率 “ 飞 0 .0 今 刁 . 1 州 l / 台 )对量 子点的尺寸分布的均匀性影响。 实验结果表明当生长温度在4 50， 生长速率在 0. i ml 汤时量子点的拟合双峰之间的间距最小， 为302 mev ; 获得了室温p l强度 较高量子点材料，并制作了量子点激光器，实现了室温激射，阐值电流密度小 于6 0()a/c m 2 。 关键词:二维电子气、整数量子霍尔效应、持久光电导效应、s d h振荡、量子 点 ab s 臼 韧 c t ab s t 门c t h i gh m o b l l i ty 双 旧 肠 . 】 即“伪u p 】 e d 幻 丹 。d 汕。 招 i o n al elec tr o ng as (2d e g) and q 啊 幻 ” nd o ts( q ds) isn oto 川 yv e ryli lt e r e s t in g b utal soh a s pot 即t i ald e v i ce即p l l c at i ons . hti 五 5 p a 伴 r m odul 如 o n 仗 10 ， 刃伪 田) z d e g胡 d 在 lu l t i 刁 盯 改伪 即l e d se 】 f-or ga 垃 z e d q ds m 川 晰目 日 争。 协 .byepi taky (mb e) u s in g h all栩 sts y s t er 氏山 已 e l ec。 。 ni c 坛 助 呵 沁 rtp m pe币 es助d th e 砂 . 叨 比 of毗d e 印l y r 山c t o 汉 幻p y( 住峋 如dp b o t o 】 山 州 恤 e ， 笼 n c e口l) s pe 曲 ra，th e 。 叫c alp ro 声 川 i esand t b e k ey pe访 lts o f th e p a per are s u n ” 力 a n 留d asfo u o w s : 1 ， 即 招运 9 姐 电 甲 m p n ate m 日 由 o d阳d opti m i 欢 泣多 。 w thc o n d i t i 溯 ， 也 e hi gh q ua lityz d e o m a te ri ai w ith 址 ghmob i li 妙p 7 犷1 .s 6 x l 0 5 c m z 丹 s areo b ta 初 e d . 你 d i st ri b u t i o nofe l ec tr o 血 引 匕 妞 sofz d e gandt he d o m in 印 吐scatte 石 n gmech 田 滋 ” w hi c h 1 i mi t s th c m o b 1 1 i tyo f 2 d e gare ana 】 y zed . b y h 扭 1 1 t e s t o f 悦 gh m obi l ity z d e g inm 鲜 笋 e t i c fi el d 叩to6t ( 介s l a)andat了 七 z k.the l n t e ger q uan tu mhan e 价ctand s h ubn i k o v山 h 出 妞(sd h )osci l 】 a t l ons ale obta i n e d . t b e油 9 . rq 啊 t um h al l pl at e a usare a gree初ththe o re t i c alv al 此well. 2 。 肠 越 咧 阳 此 邵 成班 沁 g t 汕e ( 几 川 .3 间皿d q 够 曲 加邵 毗已 血g t i m e(乓 月.“ 间 ofm d . g 时 匕 ia i g 田 钻zde g瞬 喇cula t e d妙 h a l l mobi lity ands d ho scil 俪。 概详 以 i v e l y . t 七 e 让 门 朋 n 忧 s ofm d 户 c 往 a 创 a i g 留 肠z d e o郎 a 饱 幼 。 g m ec 细 sms on 坛 知 叼 扣 成邢 毗e 血9 1 云 n e and q 幽 仅 ” n sc 的 吻 勿 g t h n e 那 加 v e stig at ed. 3 . 1 七 。详 ” i s t ent p b o 咖 耐诞d v l tye 月 免 c t口 p c) of m i 一 g 氏 a s/ aig 压 a sis 曲脚， “and 伽 el “ 右 o n d 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。公开级学位论文全文电 子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用 。 院 赫名 称 : 杀 乞 和” 粉仰苍 疙 作 者 签 “ :夯，奋 学 号: ， 穿 公 必 ， 1 日 期 : a 产 件月知日 南 开 大 学 非 公 开 学 伍 论 文 征 明 学 号 : 。 乒 万矛 1姓 名 :每磅 砂 、 争 不 诱 么; . 打 衅 。 多 触时 价子 勺 不宜公开原因 ( 请在口中选择): 一 口1 、申 请专利或技术转让。密级:内 部 划 2 、保密 科 研项目 或 课题。 密级: 秘密 或机 密 口3 、其它 ( 请说明) 保密期限: 内 部年 ( 请填写保密年限， 3 年) 秘密年 ( 请填写保密年限， 5 年) 机密*j o 年 ( 请填写保密年限， 10年) 绝密年 ( 请填写保密年限， 20年) 注意: 1 、 非公开论文电子版全文亦需要在网上提交. 呈交当年， 在校园网上提供论 文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分浏览服务 ( 论文前16页)。 保密 期限过后，允许校园网上的读者浏览并下载全文。 请在印刷本封面右上角注明具体密级和保密 导师签 单位负 单位盖 日期: ”2 年 ” 约日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 :一舒渗 “ 2 年 斗 月 勃 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 功 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 砒恢 学位论文作者签名: 价泳 解密 时间: 为j7年千 月劝日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 。 学 位 论 文 作 者 签 “ :针毖 介。 一 产 茶月加日 第一章 绪论 第一章绪论 第一节 g a a s 基m一 v族低维半导体材料的研究意义 低维半导体材料，通常指的是除三维体材料以外的二维 (2d )半导体超晶 格、量子阱材料，一维 (ld)蚤子线和零维 ( o d)!子点材料。在二维超晶格 和量子阱结构中，载流子的运动仅在一个方向受到约束，其它两个方向上是自 由的，即这个方向的尺寸与电子的德布罗意波长相比拟或更小，载流子只能在 二维平面内自由运动;一维量子线是指载流子仅在一个方向上可以自由 运动， 而在另外两个方向上受到约束的材料;零维量子点是指载流子在三个方向均受 到约束的材料， 这时载流子在三个方向上的能量都是量子化的。 图1 . 1 给出了体 材料、 二维量子阱、一维量子线及零维量子点的态密度分布。 圃扛仁 图 ll具有不同维度材料的结构及其态密度分布图 体材料 ( b ) t子阱 ( c ) t子线 ( d )童子点 通过能带工程得以 实现的这种新型的 低维半导体材料，以其量子尺寸效应， 童 子千涉效 应、 量子隧穿效应、 库仑阻塞效应以 及低维电 子气效应11 司 等 特性， 已经成为新一代量子器件的基础。基于盆子效应的微/ 纳电子器件和光电 子器件 分别以 其固有的超高速、 超高频、高效、低功率和极低闽值电流密度、 极高量 子效应和高特征温度等特点，在未来纳米电子学、光子学和光电集成等方面有 第一章 绪论 着极为重要的应用前景。 从20世纪70年代以 来， 以 分子束 外延( m b e) 15 和金属 有机物化学 气相沉 淀( m o c v d ) 161 等为代表的先 进薄 层 材料生长技术， 超精细原子加工和电 子束 光刻技术等的不断发展、完善与进步，为半导体低维结构材料的生长、制备和 量子器件的研制创造了条件。相对于m o c v d等其他的半导体材料制备方法来 说， m b e生长技术在超高 真空条件下生长，杂质污染更少、 外延膜纯度更高， 而且可精确地控制单原子层厚度的生长及获得原子级平整的表面和界面，故 mb e是一种更为理想的高质量半导体材料的生长方法。尤其是使用 m b e技术 生长的g a a s 基i n 一 v族低维半导体材料由 于其禁带宽度大、发光效率高、量子 效应明显，受到人们的广泛重视和深入研究。 g a a s z a i g a a s 二维电子气 ( z d e g ) 结构材料在基础物理研究和新型器件与 电 路的 应 用方 面 有 十分 重 要的 意义 门 。 低 温电 子 迁 移 率林超 过 1 06c扩瓜 .s的 z d e g材料可用于研究整数、 分数量子霍尔效应。 高迁移率和高载流子面密度的 z d e g材料可以用于研制高电子迁移率晶体管 ( h e mt ) 、超高速数字集成电路 ( v h si c) 和微波毫米波单片 集成电 路( m imic) 18 一 10 等超高 频、 超高 速微电 子 器件和电路，它们被广泛应用在雷达、制导、电子对抗、光纤通讯和数字微波 通讯等领域。近年来 ，作为 i n p基 i n g a a s p体系替代材料的 g a a s基 in(ga)a5自 组织量子点材料体系也因 其独特、优越的光电 性质， 成为制备光纤 通信用 1 3 阿1 . 55林 m发光波长激光器的热门材料之一，引 起了 人们的 广泛关 注 11 1 。 第二节 调制掺杂 ( md ) g a 户 因 /ai g a 户 口 z d e g材料及其研究现状 当半导体表面上加一个与表面垂直的电场，在表面附近形成电子势阱，其 中就会积累起大量的电子。 如果表面上的电场很强， 这些电子形成一个薄层 ( 厚 度小于1 0 一厘米) 。 这时电 子沿垂直于表面方向的 运动变得量子化， 即它的能量 只能取一系列的分立值;而平行于表面的运动仍是自由的，能量可以是任意值。 这样一 个薄的电子层称为 z d e g 。 z d e g是研究量子化效应的一个很理想的 对 象，因为在三维中存在着平行于磁场的自由电子的运动，许多特性并没有像二 维中那么清楚。 1 96 0 年， 劫d er so 刀 1 1 2 预言 在异 质 结 界 面 存在 有电 子的 积 累。 1 %9 年 . e as 七 第一章 绪论 和 几 u l l31 提出 在禁带宽 度不同的异质结结构中 ， 离化的施主 和自 由电 子是 分离的。 即电 子离开施主母体， 由宽带隙材料一侧进入窄带隙材料一侧。这种分离减少了 母体对电子的库仑作用， 提高了电子迁移率。1 ， 78年，美国贝尔实验室的r d inglell 4 用 mbe 生 长 方 法 成 功 研 制 。 动 月c 创 仙 调 制掺 杂 异 质 结 构 z d e g 材料， 其 低 温( 50 k ) 电 子 迁 移 率 约为 2 减 1 了 。 19 80 年， von. 幻1 仪 加 9 115 发 现 二 维电 子 气 的 霍尔电阻 特性具有童子化的 “ 平台 ” ， 其数值精确地等于基本常数 几 触 2 的 汾之一 ( h 为 普朗 克常 数， 。 为电 子电 荷， 1 为 正 整数) 。 旋2 具 有电 阻 的 量纲( 约 2 5 812. 8 欧) ， 因此童子霍尔电阻可能用来作为电阻的自 然基准，并且有不受环境条件影 响 的 优 点. 1 9 82 年 ， 美 籍 华 裔 物理 学 家 崔 琦 ( d 别 e l c b eets ul ) 1 间 等 人 又 发 现霍尔 平台可以出现在取 1 /3 和2/3等分数值的情况。 在这个体系中的两个重大发现 整数量子霍耳效应和分数量子霍耳效应先后都获得了诺贝尔奖。 对z d e g 重 要物理特性的研究有助于了解它的基本物理过程，也大大促进了固体物理学的 发展。 1 . 21 2 d e g 体系的实现 在过去的加年里，由于样品制备工艺的进步，对二维电子体系的 研究取得 了重大的进展。特别是80年代初，量子霍尔效应的发现使二维电子体系的研究 进入了 一个崭新的阶段。目 前， z d e g 主要以下面三个方式实现: 液 h e 表 面 上 吸附 的电 子 单 层 。 液氦 表面 存 在超 过1 。 v 的 势 垒 ， 它阻 止 电子进入到液氦中去。另一方面，一个在液氦表面附近的电子，会引起液氦中 氦原子极化，导致一个朝向 氦表面的吸引力。排斥和吸引二者加起来，就在液 氮表面附近形成一个垂直于表面 ( 2 方向)的一维库仑势阱，从而可得到一种 z deo。 金属 一 氧 化 物 半 导 体( m o s) 系统中 的 反 型层 . 在 半 导 体 层( 如 硅片) 上生长薄氧化膜( 如51 伍) 后再覆盖上金属层 ( 如ai) ， 就是最常见的 m o s 结构。 如果与半导体表面垂直的电场很强，表面附近就会出现一个导电类型与体内相 反的薄层， 称为反型层。反型层中的电 子 ( 或空穴)被限制在一个很窄的势阱 中，垂直表面方向的电子运动将是量子化的，形成一系列分立能级，而在平行 表面的方向 上运动则是自由的，在很低温度下，电子的垂直表面方向的能量取 最低 ( 基态)值，即 处于童子极限。 这又是一种zde g 。实验上， 就是制作一个 第一章 绪论 金属一氧化物一半导体 洱0 5) 场效应晶体管，m o s 结构的栅区相当于一个平 行板电容器，反型层中电子密度n ，与栅电压有线性关系 刀 口=丘( 玲 一 玲 ) ( 1 . 1 ) 其中co为单位面积氧化物电容、外为形成反型层的最低栅电压，冷为栅电 压， e 为电子电荷。 栅电压形成的垂直界面的电场越强， 限 制电子的势阱就越窄， 量子尺寸效应越显著。 半 导 体 异 质 结 。 两 种 能 带 隙 宽 度 不同 的 半 导体 材 料 形 成的 结 构 称为 “ 异 质结” 。两种半导体材料组成异质结时，由于它们的晶格常数口 ， 和由的差别，在 异质结界面出会出现悬键，悬键的存在会引起界面态。为了减少界面态，首先 要求两种材料的晶格常数尽量地接近，以便能够晶格匹配。其次要选用能精确 控制材料组分和结构的工艺方法，以 避免杂质、缺陷的引入，并控制成结材料 的性能和尺寸。 晶格失配度为两种材料的晶格常数之差同它们的平均晶格常数之比: 晶 格 失 配 = 粤二 ( 1 2 ) .格失 。 f 相月予心 比 几 . 。 相时千匆0 0肠1 01 肠 . ._1 _ _ 神 - 一j-一-一-一-j 肠1 01 ， 0 2 . . 里.翻 口 月 ，吞 . “ 乍 水 界、 口 尸竹 田一 vl抽二 田， ，阔 挂.旅 以 翻门 位， . 吞.00 呼 颐.与，瓜 的、八翩川、 .0 匀 弓.份. . 入 d ，.血. 场幼劫姻. 、 ， 、 七伪 阮翻习 山.j- 0 月口 口 . 常 . .， 图1 . 2 常见半导体材料能隙和晶格常数关系 第一章 绪论 为了减少界面态，降低在这些缺陷的陷阱或非辐射复合中心的不利作用， 前人的实验和理论分析表明，只有在异质材料的失配度小于0 . 1 %的前提下才能 制作适用于异质结构的光电器件。图1 .2 给出了一系列半导体材料在室温下的禁 带宽度同晶格常数的关系。可以看出，这些二元或三元化合物半导体还可以组 成三元或四元的合金半导体，由此可以找到一些特定组分，使其晶格常数同二 元化合物衬底的晶格常数接近，从而实现晶格匹配。 从图1 ， 2 中可以看出，g a a s 和a i a s 的晶格常数分别为0. 5 654 口 m 和0. 566llnn ， 其晶 格失 配度为 8 、 1 04。由 g a a s 和 月 队 5 组成的 a h g a l 峨 as固 溶体的晶 格常数是组 分工 值的函数，介于。 j 和自之间，通常认为呈线性关系: a，xa l +( 1 一)a l( 1 . 3 ) 因此， g 氏 a 澎 a lx g a : 明 a s 可以构成晶格非常匹配的异质结。 c 目 囚” . a lx g al 魂 as 异质结结构的异质界面处可得到高质量的z d e g 。但在低温下，由于晶格振动减 弱，则n 型aig 田 钻 层中电离杂质中心对紧邻的zde g 的库仑散射将显得很重要， 这成为提高z d e g 电子迁移率的主要障碍。因此，为了完全隔开杂质中心与二维 电子气， 人们就在n 型a i g a a s 层与未掺杂g 田 仙层之间设置一厚约1 0 2 0 1 u n 的隔离 层未掺杂的 aig a a s 层，这一层可大大调高二维电子气的迁移率，特别是低 温迁移率。 经研究， 当隔离层厚度大于7 nm 时， 杂质中心的库仑散射将大大减弱， 因此迁移率也会得到相应的提高。这种未掺杂的aig a a s 层分开掺杂a i g a a s 层和 c 厄 a s 层的结构称为调制掺杂 ( 或选择性掺杂)异质结。其界面处形成的高迁移 z d e g 也成为研究电子特性的重要工具。 1 .2. 2 2 d e g 材料的最新进展 为了提高z d e g 密度，希望加大异质结的带隙差。一方面可通过增加宽禁带 材料 a 几 g a l -x a s 中 ai的 组分增加 乓( 凡i a 以 弛 1 心 a 沪1 .424+1 . 247x) ， 也 可使用更 窄带 的 址 g 田 知 沟 道 材 料， 减小 e( el 玩c 厄 1 招 仙 = 1 .42 今 1 . 0 坛 ) . 前 者， 增加 ai 组分，但当 劣 值大于0. 25刁.3 时， 将产生大量的 n 万 复合中心，使电 子浓度提高受 到限制。 若将g 田 油 沟道材料变更成玩 刀a l 心 as， 即形成川刀日 1 心 as几 gal 嘴 a s 单量 子阱结构， 可获得更高的 z d e g 的浓度， 同时电 子在in g 傲 a s 中的迁移率大于g 田 仙 。 在川刀a l 心 a s 八 oal 弓 a s 单量子阱结构中，一般是使用g 几 a ， 为衬底来生长的，由 第一章 绪论 于功 g 留 姑 与g a a s 晶 格常数的 差异 形成所谓的 质配 ( p 鱿 u d omo rp hi c)结构，故由 此结构制成的高迁移率器件称为p 一 h e mt 。 为使带隙差进一步增加，可将in组分进一步提高， 但考虑到b g 几 a s 材料和 c 吐 a s 材料的失配程度，此时要使用i n p 基的衬底 ( 因为in组分为0. 53时， 场” g 甸 月 ， a s 与功 p 匹配) ，并将宽禁带材料改成为a 几 g a l心 a s 改成玩冰1 1 -x a s ， 顶 刀a l 心 as又比 a i荞 沁 1 一5 有更高的 掺杂效率 ( 1 义 1 01 9 c m 刁 ) ， 可使 z d e g 的浓度进 一步提高。 g 目 呵 ，a 加 及其三元合金aig 创 阿具有禁带宽度宽、电 子漂移速度高、击穿 电场强、热导率高、化学性质稳定、抗辐照等特点，也是制作高温、大功率、 高频电子器件的理想材料。19 92 年，k h an等11 刀 首次制作出了具有z d e g 的 a i 二 c 恤 两 n / 0 创 m结构。与md 一 g 留 物 z a i g a a s 异质结不同的是，g a a s / aig a a s 异质 结中z d e g 体系的电子来源于势垒层的施主掺杂， 但在高质量的a i g an/ g 权 n 异质 结中， 即使所有的层均不人为掺杂， 仍可以在异质界面上形成高面密度的z d e g 体系， 面密度高达10仪 一 10玲 c m z 戊5 。 但对于未掺杂的 ai g 瓦 n / g 瓦 n 异质结中 z deg 体系的电 子的 来源仍然没有弄 清楚。 一般m b e 或m o c v d 生长的 g 翻 n 及 aig a 卜 材 料均有” 型背景电子浓度，可归结为由 n 空位或外延生长时非人为引入的残余氧 和硅杂质造成。所以人们通常认为是极化效应的诱使作用，导致未掺杂的 aig 瓦 n z g a n 中z d e g 体系的电子来自 有源g 司 n 和aig 瓦 闻 势垒层中背景杂质造成的 自 由 载 流 子密 度118 1 或 从 金属 接 触 的 载流 子注入11 01. 或来自 类 施主 表 面 态 侧。 但这 些说法无一具有决定性的说服力。 虽然1 l l p 基】 巧 八 1 1 召 九 刃 几 g a l 峭 a s 材料中的z d e g 体系理论上可以获得高迁移的 z d e o ， 但是1 力 p 基材料在使用m b e 或mo c v d 进行生长时， 难以实现连续性的生 长，生长过程不易于控制。这是因为磷源的使用会给生长室带来一定含量的白 磷 ( 几) ，而白 磷在低温下仍有较高的分压。在生长过程中， 过高的白 磷的分压 会导致生 长室内的 背景真空度 过高， 会造成材料的生长 速 度和组分难以 控制1211. 虽然aig 翻 阿 i g 司 n 材料具有更高的面电子密度，并有希望成为新一代半导体 第一章 绪论 材料体系。但是氮源的纯度仍然是一个重要的问题，而且人们对ai压 创z g 以 n 材 料中的 z d e g 体系的内 在的机理仍然还没完全弄清楚， 对于ai肠 创z g an材料的生 长控制也不如aig 汹 澎g 留 油 精确，实验中得到的a10 以 n ig创 n 材料中的 z d e g 体系 的迁移率还远低于从川c a a 澎 c a a 吕 中得到的。 第三节里子点材料及其研究进展 1 . 3 . 1 t子点材料的自 组织生长 量子点是将电子运动空间限制在纳米数量级的三维结构中，从三个方向限 制电子 ( 空穴) 运动的零维结构量子势阱。量子点由于在三个维度上都与电子 德布罗意波长相当， 使其载流子态密度呈咨 函数分布， 具有类似于原子或分子的 分立能级。 近年来，因零维结构独特的光学和结构特性，使得量子点的生长引起了人 们的广泛关注p z . z j i 。 人们早期的工作主要集中在量子点的形成技术上，主要包 括量子阱结构平版印刷和刻蚀，或是在花样衬底上外延生长。目前，人们采用 了多种平版印刷方法，其中之一就是使用聚焦电子束在样品上制成图案，其分 辨率在 1 0 2 1) 1 1m 的范围内。 然而， 因为表面复合严重， 所以很难从这些人工合 成的量子点中观察到光致发光现象. ，确叮 图1 . 3 异质外延生长模式示愈图 另一方面，晶体表面有序纳米结构的自组织为合成低维结构及其在光学器 第一章 绪论 件的 应用方面 提供了 新的可能 性。 就异质外延生长而言， 有三种生长模型 刚 ( 见 图1 3) :二维 ( z d)层状生长模型 ( f 倒 吐. van山rm 七 n 即 e ) ，三维生长模型 ( 、 b l m e r w 七 比 r )以 及三维接二维生长模型 ( s tr 田 ” ki 一 k h 玲 加 口 o w ) 。 在所给定的 系统中究竟以 何种模式生长决定于系统的界面自由能和晶 格失配情况。对于具 有较小的界面能但有较大的晶格失配的系统来说，首先进行逐层生长，随着外 延层变厚，应变能也随之变大，于是可以通过形成岛状结构来降低总能量，这 就是应变系统中的s k 生长模式口 如果异质材料之间晶格失配较小，可以得到高质量的弹性应变层状结构。 如果晶格失配较大，应变层初始外延生长仍按二维层状方式进行，通过弹性形 变适应晶格失配。随外延层厚增加，应变能不断增加，到一定厚度弹性形变二 维层状生长不再是最低能量状态，层状生长向三维成岛生长转变，这一特定的 外延层 厚度我们称之为 z d 一 3 d 转变厚度 ( 也 叫临界厚度h) 。 虽然成岛 引 起外延 层表 面积增大，导致表面能增大，但是弹性三维岛中晶格得到不同程度的驰豫，降 低了岛的应变能。 1 o a s 的晶 格常数为 6. 0 58a ， 。 a a s 的晶 格常数为 5. 6 53人 ， 二者的失 配度较大 ( 约 为7 0/0)， 恤a s 在g 田 抽(l 0 0 ) 衬底上将按s k 模式生长，即当 】 n a s 的沉积厚度超过一 临界厚度时， 玩 叭 5 层由二维( zd) 平面生长变为三维(3 d)成岛生长。目 前一般认为 这种岛状结构为金字塔型或圆锥型，大小具有一定分布，一般高为几纳米，直 径为几十纳米， 当 i n a s 层的沉积厚度较薄时岛状结构内无位错。 另外在g a a 名 ( 1 0 0) 面生长功 人 5 ， i n g a 户 . hs b 和g asb 等也得到了无位错的结构。由于这些岛状结构 的特征尺度与电子波长相当，对电子起到了限制作用，这种无位错的岛状结构 可看作三个维度上均受到限制的量子点，而且实验上也证明了所述理论上预计 的量子点的光电性质。 1 . 32 1 n a s 量子点材料的应用 由于理论预计量子点光电器件将具有传统光电子器件所不具备的更优越的 性能，吸引着许多科研人员及高技术产业家的注意。目 前量子光电器件研究主 要可分为两个方面:一方面是光电子器件中的应用研究，如量子点激光器、量 子点红外探测器、量子点传感器及量子点半导体可饱和吸收镜 ( s esa m) 等; 另一方面是量子点在量子计量、量子通信等全新领域中的应用研究，包括单电 第一章 绪论 光电 特性。 论文主要的 研究内 容和组织结构如下: 第一章: 详细查阅和研究了m 刃 . g 幼 国a i g 田 钧zde g材料的mb e生长与物 理机理、 玩 人 砂 g 目 始量子点的研究进展等相关文献， 分析了其发展方向，说明了 本论文的研究目的。 第二章:主要阐述了分子束外延原理、分子束外延设备及分子束外延生长 工艺。介绍了低维半导体外延材料的电学及光学性质的表征方法，包括霍尔效 应测试、 x射线双晶 衍射( d c x d r ) 、 透射电 子显微镜( tem) 和光致发光谱( p l ) 。 第三章:生长了 一系列的m d g 创 仙 从】 g a a s z d e g材料，讨论生长温度、 隔离层厚度、掺杂浓度等几个方面对 z d e o的载流子浓度和迁移率的影响，获 得 高电 子 迁移 率( 内 7k=1 . 86x l 。 ， c m z 那 5 ) z d e g样品 ， 并 结 合 势阱中z d e g的 电子能态和散射机理对实验结果进行了相关物理分析与讨论。 第四章:在低温 ( z k )强磁场下 (6t ) 对样品进行了霍尔效应测试，获得 很好的整数量子霍尔曲 线及s d h振荡曲线，并通过实验数据计算得到z d e g的 输 运 散 射 时 间( 毛 科 2. 3 p s)和 量 子 散 射时 间( 几 司“ p s ) 深 入 地 分 析了 影 响 m d 户 g a a s j a 】 g a a s z d e g材料输运散射时间和量子散射时间的散射机理。 第五章: 研究了 m d 一 g 田 肠 / a i g a a s z d e g 材料的持久光电导效应。 计算了光 照前后电子的输运散射时间和量子散射时间，研究了光照前后小角散射的变化 以及z d e g 系统在光照前后的子带电子分布特性。 第六章: 研究了生长工艺条件对多层祸合加 a s 量子点形成的影响。 使用t e m 分析了各层量子点的尺寸的差异， 并研究了p l 谱峰值的双模分布以及高斯拟合 双峰间距的变化规律。 讨论了生长条件对多层祸合i n a s 量子点尺寸分布均匀性 的影响。 第七章:总结全文并讨论了继续研究的工作方向。 第二章分子束外延生长技术及材料实验测试方法 第二章分子束外延生长技术及材料实验测试方法 第一节 分子束外延技术 分 子 束 外 延 技 术( m o l ec u l arb eam epi 枷 以 y : m b e)川 于19 68年首 次由 贝 尔 实验室的a 对 h ur发明， 并于1971年由 卓以和等发展为一种切实可行的超薄层生 长方法121 。 它可在多 种半导体衬底上直接生长外延薄膜的厚度， 掺杂和异质界面 平整度能精确控制到原子量级的超薄多层二维结构材料，如超晶格、量子阱和 调制掺杂异质结等，并用于制作光电子器件，如量子阱激光器和高迁移率晶体 管等。 在上世纪90年代， 利用s k生长模式， 发展起来的mb e自 组织生长量子 点的方法，避免了腐蚀和再生长引入大量缺陷的问题，提高了量子点的均匀性 和材料的性能。 和 其它半导 体纳 米薄膜生长技术相比， m b e 有以 下 优点 131 : 外 延 膜 纯 度 高 。 因 为m b e 在 超 高 真 空 条 件 下 操 作， 能 够 保 证从 源炉 中 喷射出的分子成为运动方向大体一致的束流，且无碰撞地射向衬底表面;更为 重要的是，这种真空度能长时间地保持生长表面的清洁状态，生长出高纯度、 均匀性好的 外延薄膜。在通常的真空度下 (1. 3 x lo 勺a) 下， 经过 15左右的时 间后原先清洁的衬底表面就被真空室内的残留气体完全覆盖 ( 尤其是氧、水等) 生长得到的是与衬底晶体结构不连续的非晶态或多晶态薄膜;而在具有超高真 空 ( 0 ， 霍尔电 压沿y 方向 减少， 而。 ; 对n 型 样品， 情形相反，霍尔 电 场沿负y 方向， 场。 ， 霍尔电压沿y 方向增加， r h 凡的 光照 射到被 测样品表 面时，由于激发光在材料中的吸收系数很大 ( 通常大于1 0 月 c 功 . ， ) ， 通过本征吸 收， 在材料表面约1 卿 以内的区 域里激发产生大量的电 子一空穴对， 使样品 处 于非平衡态。这些非平衡载流子一边向体内扩散，一边发生复合。通过扩散， 发光区将扩展到深入体内约一个少子扩散长度的距离。电子一空穴对通过不同 的复合机制进行复合，其中的辐射复合就发出叠加在热平衡辐射上的光发射， 称为光致发光。发光在逸出表面之前会受到样品本身的自 吸收，逸出表面之后， 会聚进入单色仪分光，然后经探测器接受转变成电讯号并进行放大和记录，从 而得到发光强度按光子能量分布的曲 线，即光致发光谱图。光致发光是一种灵 敏度高、样品制备简单、非破坏性的光谱技术，所以受到广泛的重视。由于实 验样品中非平衡载流子浓度、辐射复合过程，缺陷及能带结构与材料、激发强 度、 外界条件( 温度、 电 场和压力 等 ) 的 变化、 掺杂水平等因 素密切相关， 所以 通 过光致发光谱可以了 解样品的能带结构、发光过程等内部信息。图 2. 9 为光致发 光测试系统示意图。 第二章分子束外延生长技术及材料实验测试方法 图2. 9 光致发光测试系统示愈图 第三节小结 本章主要包括分子束外延原理、分子束外延设备及分子束外延生长工艺和低 维半导体外延材料的电学及光学性质的表征方法等内容。 阐 述了m b e 原 理， 对几 b 盯c o m p a c tz it分 子 束 外 延 设 备的 真空 系 统、 生长系统及mb e的原位检测系统进行了简单介绍。 结合分子束外延的生长工艺 流程，讨论了外延层生长时应该注意的一些基本问题. 介绍了 半 导 体 外 延 材 料的 几 种常 用 表 征手 段. 详 细 介 绍了 霍 尔 效 应 测 试 的实验原理、样品的制备、实验设备及实验测试步骤。同时对透射电子显微镜 ( tem) 、 x射线双晶衍射谱 ( d c x d r )和光致发光谱 (pl )的原理及其特点 进行了分析，为第三、四、五、六章中mb e生长的g 压 a 目 a i g 曰 肠 z d e g材料及 如 a s 盘子点材料的测试表征和特性研究打下基础。 第三章 md . g a a s /aigaas z d e g体系及其mb e 优化生长 第三章 md 一 g a a s l a i g a a s z d e g体系及其mb e优化生长 第一节md 一 g a a sl， 月g a as z d e g体系 3 . 1 . 1 卜 11 卜 g 留 抽/ a i g 压 a s z d e g的形成 调制掺杂 ( 或称选择性掺杂) g a a s /ai g a a s 异质结构就是在宽禁带重掺杂的 n 型a10 a a s 与不掺杂的 g 田 仙组成的异质结构11 。 其简 化结构图图 3 . 1 所示。 最上 面的 a 】 x g a l -x a s 为高 掺杂n 型，中间的a lx g a l 咬 a s 层和下面6 a a s 层中均未掺杂。图 3 .2 是其异质结界面导 带边示意图。 aig 几 a s 的禁带宽 度大于g a a s ( 例如 ， 几1 aio 2 2 0 a0 7 8as = 1 . 70 e v ， 乓 g a a s = 1 .42e v ， e司.2 se v ) 。 这种带隙的 差异导 致了在异质界面带边断续， 重掺杂的琴aig a a s层中的离化施主所贡献的导带电 子将转移到非掺杂的g 几 a s 层， 而电离施主仍留在aig 留 抽 一侧。 界面附近能带发生 弯曲， aig 色 a s 一侧形成势垒， g a a s 一侧形成准三角形势阱，积累在势阱中的电 子在空间上与施主母体是分离的。在垂直界面方面 (2方向) 上的运动是被限 制在很窄的 阱中， 在平行界面方向 上 (x， 少方向) 却是自 由 的， 形成为 z d e g 。 aig a a s( 掺杂) 户 d g 目 抽( 未掺杂) 图3 . 1 调制掺杂异质结的简化结构 如上所述，异质结构中非掺杂的窄带材料势阱中的电子与宽带中电离施主 空间上是分离的，减弱了二者之间的库仑作用 ( 即杂质散射)