（凝聚态物理专业论文）锗硅低维量子结构的电学特性.pdf

i 摘 y 五16 7 要镰 1 用d l t s 方法详细地研究了g e 量子点的载流子俘获过程。通过改变 d l t s 的反向偏压和脉冲高度，观察到了费米能级的高度对量子点空穴能级俘 ， 获和发射载流子的影响。 通过改变脉冲宽度的测试，观察到了量子点逐个俘 、 获空穴的过程，同时观察到了库仑荷电效应。通过比较单层量子点和双层量 子点的d l t s 谱，提出了双层量子点中载流子的遂穿模型，并通过理论计算 加以证明一 2 分别对于不同覆盖层厚度的单量子阱结构的样品以及同一覆盖层厚度不 同偏压下的量子阱样品进行导纳谱测试，由于覆盖层厚度的不同以及外加偏压 的不同引起样品结构的电势分布发生变化，从而用导纳谱测量得到的量子阱的 激活能也发生很大变化，通过变偏压的导纳谱测试，可对测试结果做出正确的 判断。 关键词：量子点，量子阱，库仑电荷效应，激活能，遂穿效应 分类号：0 4 7 1 5 ，0 4 7 2 + 4 a b s t r a c t 1 d l t sm e a s u r e m e n ti su s e dt o s t u d yt h ec a r r i e rc a p t u r i n gp r o c e s s t h e c a p t u r ea n dt h ee m i s s i o no f t h eh o l e si nt h eg e q u a n t u md o tc a nb ec o n t r o l l e db y t h e p o s i t i o no f t h ef e r m il e v e lw i t ht h ev a r i a n c eo f t h e r e v e r s eb i a sv o l t a g ea n dt h ef i l l i n g p u l s ev o l t a g e h o l ec a p t u r ep r o c e s sa n dc o u l o m bc h a r g i n ge f f e c th a v ea l s ob e e n o b s e r v e db yt h ed l t sm e a s u r e m e n t sw i t hv a r i o u sp u l s ew i d t h s t h eh o l e t u n n e l i n g m o d e li sp r o p o s e db yc o m p a r i n gt h ed l t s s p e c t r ao fs i n 烈el a y e rq u a n t u md o ta n d d o u b l el a i rq u a n t u md o t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec o n f i r m e db yt h ec o m p u t e r - s i m u l a t i o n 2 t h ea c t i v a t e de n e r g yo fs i n g l eq u a n t u mw e l ls t r u c t u r e so b t a i n e db yt h e a d m i t t a n c em e a s u r e m e n t si sv a r i e dw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s so f c a p p i n gl a y e ra n dw i t h o n es a m p l eu n d e rd i f f e r e n ta p p l i e db i a sv o l t a g e s t h ee l e c t r i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n i st h ek e ye f f e c tt ot h ee n e r g yv a r i a t i o n t h ec o l t e c t n e s so ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t s c a nb ej u d g e db yu s i n gt h ea d m i t t a n c em e a s u r e m e n t su n d e ra f f e r e n ta p p l i e db i a s v o l t a g e s k e yw o r d s ：q u a n t u md o t ，q u a n t u mw e l l ，c o u l o m be f f e c t ，t u n n e l i n ge f f e c t ， a c t i v a t i o ne n e r g y 第一章绪论 1 1研究g e s i 半导体低维结构的意义 1 9 7 0 年，江崎和朱兆祥提出了一个全新的、革命性的概念1 1 1 ：半导体超 晶格。这种由两种晶格匹配的材料交替生长就可以得到一个周期变化的低维材 料口】，它所具有的低维结构使许多量子现象被观察到。此后，在半导体低维 系统中又发展了许多新材料，比如量子阱，量子线，量子点等。同时在这 些低维系统中又观察到了很多新的量子现象，比如量子限制效应，量子霍尔 效应等等口】。于是基于这种新现象新理论的半导体器件也飞速发展起来”1 。 由于在当今的半导体工业中，锗硅器件能与已经成熟的硅超大集成电路工 艺相兼容，所以研究硅基锗硅半导体有着十分重要的意义。因为锗硅异质材 料具有较大的晶格失配率，所以最初半导体低维系统的研究主要集中在 g a a s a 1 g a a s 上口“。但是近年来，随着锗硅分子束外延生长技术的不断完善， 已经能生长出界面陡峭，结构完整的锗硅应变异质结构材料，所以研究锗硅 的低维系统结构特性才重新被人们所重视并且迅速发展起来1 7 ，同样许多基于 锗硅低微结构的半导体器件也应运而生。比如基于锗硅量子阱的锗硅异质结双 极型晶体管”】，锗硅调制掺杂场效应晶体管t ”，锗硅多量子阱红外探测器呷】，基 于锗硅量子点的硅基单电子晶体管 h - j 2 】。 1 2研究锗硅半导体低微量子结构的电学方法 低维半导体系统会在空间上束缚电子或空穴，因而会产生量子效应，而 这些现象又可以通过宏观可测量量表现出来，比如电导，电容，电阻等。这 些低维系统在外场或温度变化的影响下，半导体内部的空间电荷发生变化，从 而导致可测量量电容或电导的变化。从这些参数随外场或温度的变化关系中可 以得到载流子浓度，量子限制能级，能带偏移等重要参量。所以量子结构半 导体的电学特性的研究无论是对于基础理论还是对于实际应用都具有重要意 义。 l _ 2 1 电容一电压法( c - v ) 电容电压法最初是用来测量体材料中载流子纵向分布的方法m l 。在样品 上加上直流反向偏置电压，样品势垒宽度w 会随着反向直流偏压增大而向半 导体内部扩展。如果在直流偏压上叠加一个小的高频交流电压，势垒宽度就 会发生微小的变化d w ，d w 中的载流子在高频电压的交变过程中会流进流出。 所以所测量到的电容c 定义为微分电容：c = d q d v 。在电压变化d v 时，势 垒区电荷变化为q a ( n d - n a ) d w ，所以电容可以表示为：c = q a n d ( w ) d w d v r ， 所以根据上面两个公式可以得到杂质载流子浓度分布： r3 nd ( w ) = 二而一 q 8oa2 ( 一) v r 在半导体低维量子系统中，量子区域内限制了大量的载流子，当外加电压使 肖特基势垒扩展至量子区域附近时，交变电压d v 引起的电荷变化d q 主要来 自于量子阱和量子点中的载流予浓度变化，所以在一定的电压变化范围内电容 值变化很小，c v 曲线中会出现一个比较明显的电容平台1 q ，经过计算可 以得到载流子浓度空间分布的曲线，进而可以获得量子区域的空问位置。所 以c v 法用于表征量子系统的限制效应，能够定性的验证半导体的结构。在 本文中主要用c v 法来表征s i 中的g e 量子点的量子限制效应，并通过对c v 平台宽度的比较，定性的分析了不同结构样品量子限制效应的差别。 1 2 2 导纳谱 导纳谱最先提出是用于研究肖特基势垒空间电荷区和p n 结内深能级缺陷的 m j 。 其原理为在不同的频率下测量电导随温度的变化曲线，阱中载流子的热发 射率为： e 。= t 2 e x p ( 当温度变化使得缺陷能级中载流子发射率与测量频率相一致时，结构电导出现 峰值， 在峰值温度1 m 处u = e 。对于多频导纳谱可从一组不同频率的g t q 曲线上得到一组( ， t l l l ) ， 作l n ( e p t 。1 2 h i l t 。直线图就可以求得e 。和n 。 随 后导纳谱被用于半导体超晶格的能带偏移的测量中”，并且提出了超晶格和量 子阱的等效电路模型。将单个量子阱区域等效为量子阱电容c w 和电导g w 的 并联，随着温度的变化， 当外加频率符合r c 时间响应条件g w = ( c w + c d ) 时，测量到的结构电导出现电导峰，式中u 为测试角频率，c 。为肖特基势垒 电容。而量子阱电导可以表示为 g 。= p te x p ( 一等) k l 1 3 为常数，e a 为激活能。记录下电导峰所对应的温度以及外加测试频率，e a 可以由i n ( u f t ) 1 k t 的斜率所决定，一般可由阱中载流子浓度与态密度之比 来确定至阱底的距离l ”1 ，进而可确定阱的深度，即能带偏移。在本文中对于 单量子阱样品进行一系列的导纳谱测试，提出了用导纳谱计算得到的能带偏移 必须考虑肖特基势垒和外加偏压对费米能级影响这一因素。 1 2 3 深能级瞬态谱( d l t s ) 深能级瞬态谱最初也是检测半导体材料中的深能级缺陷的【2 0 1 。它是通过在 样品上固定的施加一电压脉冲，使得深能级上载流子填充载流子，然后回复 至静置偏压，陷阱中载流子将以一定的发射率e 随时间指数衰减地发射至导带 或价带边，并引起空间电荷区的变化，结构电容也会以相同的变化规律发生 瞬变。在不同的温度下测量这瞬变过程，可以得到不同温度下载流子的发射 率。缺陷上载流子的发射率e 与温度t 满足以下的关系： 一。e x p ( 一等) 式中n 。是与温度无关的常数，e t 是缺陷上载流子发射的激活能。所以可由 i n ( e f t 2 ) 1 k t 直线关系的斜率来确定缺陷能级的位置。 后来d l t s 被用于量子阱的能级测量，并相应导出了量子阱中能级的发射 率： 善w 唧c 一等， 式中c t 。为常数，e 是阱中基态能级离阱顶的距离，并用d l t s 方法观察到 了i n g a a s a 1 g a a s 量子阱中电子的发射，确定了其基态能级的位置并导出了 能带偏移。随后，d b i s w a s m l 等人和李先皇3 等人分别用d l t s 技术测量了 g a l n p g a a s 和g e s i 量子阱的能带偏移和界面缺陷特性。z h uq i n s h e n 酽4 1 等人 还探测到了i i 形a i a s g a a s 量子阱中多个子能级上的电子发射信号。d l t s 方 法还被朱建红口5 1 等人成功的应用于研究6 参杂s i 量子阱。但实验中发现并非 所有的量子阱或超晶格样品都能观察到d l t s 信号。1 9 9 6 年k s c h m a l z t 2 6 1 等人 指出由于量子阱载流子的横向散射效应和量子阱附近局域场的影响载流予很容 易在发射至量子阱顶之前就从侧向逃逸。因此，d l t s 方法适用于低迁移率 的量子阱样品。 d l t s 被用于研究半导体量子点结构时，其载流子发射与温度的关系与缺 陷的类似口”。由于量子点在空间三个方向上束缚了载流子的运动，所以其激 活能包含了载流子的相互作用。本文中详细研究了g e 量子点的d l t s 谱，分 析了费米能级对量子点中载流子发射和俘获的影响，并且用变脉冲宽度的d l t s 测量观察了载流子俘获过程，库仑荷电效应以及电荷遂穿效应。 参考文献 【1 】e s a k il ，t s ur ，i b mj r e s d e v ，1 4 ，6 1 ( 1 9 7 0 ) 【2 c h oa y ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 ，4 6 7 ( 1 9 7 1 ) 【3 t s u idc ，s t o r m e r h l ，g o s s a r da c ，p h y s r e v l e t t ，4 8 ，1 5 6 2 ( 1 9 8 2 ) 4 】夏建白，朱邦芬，半导体超晶格物理，上海科学技术出版社，上海， 4 ( 1 9 9 4 ) ， 1 2 【5 r d i n g l e ，h l s t o r m e r , a c g o s s a r d a n dw w i e g m a n n ，a p p l p h y s l e t t 3 3 ， 6 6 5 ( 1 9 7 8 ) 【6 】t m i m u r a ，s h i y a m i z u ，t f u j i ia n dk n a n b u ，j p n j a p p l p h y s ，1 9 ，l 2 2 5 ( 1 9 8 0 ) 7 】j c b e a n ，j c r y s t g r o w t h ，81 ，4l ( 19 8 7 ) 8 g l p a t t o n ，j h c o m f o o r t ，b s m e y e r s o n ，e f c r a b b e ，g j s c i l l a ，e f r e s a r t ， j m c s t r k ，j y c s u n ，d l h a r a m ea n dj n b u r g h a r t z ，i e e ee l e c t r o nd e v i c e l e t t e r s ，l l ，1 7 1 ( 1 9 9 0 ) 【9 e m u r a k a m i ，k n a k a g a w a ，a n i s h i d a a n dm m i y a o ，i e e ee l e c t r o nd e v i c e l e t t e r s ，1 2 ，7 1 ( 1 9 9 1 ) 1 0 j s p a r k ，r p t 2 k a r u n a s i f ia n dk l w a n g ，a p p l p h y s l e t t ，6 0 ，1 0 3 ( 1 9 9 2 ) 11 k y a n o ，i e e en i t e l e c t d e v m e e t i n gi ni e e ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o nd e v i c e s m e e t i n g ，5 4 1 ( i e e e ，n e wy o r k ，1 9 9 3 ) 1 2 y t a k a h a s h i ，e l e c t r o n l e t t ，3 1 ，1 3 6 ( 1 9 9 7 ) 1 3 孙恒慧， 包宗明，半导体物理实验，高等教育出版社，5 2 ( 1 9 8 5 ) 1 4 p , n b r o u n k o w , a p o l i m e n i ，s t s t o d d a r t ，m h e n i n i ，l e a v e s ，p c m a i n ， a r k o v s h ，y u g l m u s i k h i na n ds g k o n n i k o v , a p p l p h y s l e r ，7 3 ，1 0 9 2 ( 1 9 9 8 ) 【15 s k z h a n g ，f l u ，z m j i a n ga n d x u n w a n g ，t h i n s o l i df i l m s ，3 6 9 ，6 5 ( 2 0 0 0 ) 【1 6 j b w a n g ，f l u ，s k z h a n g ，b z h a n g ，d w g o n g ，h h s u na n dx w a n g ，p h y s r e v b ，5 4 ，7 9 7 9 ( 1 9 9 6 ) 1 7 d l l o s e e , a p p l p h y s l e t t ，2 1 ，5 4 ( 1 9 7 2 ) 1 8 d v l a n g ，m b p a n i s h ，f c a p a s s o ，j a l l a m ， w t t s a n g ，a p p l p h y s l e t t ，6 8 ，3 0 8 8 ( 19 9 2 ) 【1 9 k n a u k a ，t i k a m i n s ，j e t u r n e r , c a k i n g , 1 9 5 ( 1 9 9 2 ) r q h a m m a m s e r g e n t a n d j l h o r ta n d j f g i b b o n s ，6 0 ， 【2 0 d v l a n g ，j a p p l p h y s ，4 5 ，3 0 2 3 ( 1 9 7 4 ) 2 1 n d e b b a r ，d b i s w a sa n dp b h a t t a c h a r y a ，p h y s r e v b ，4 0 ，1 0 5 8 ( 1 9 8 9 ) 2 2 d b i s w a s ，n d e b b a r , e b h a t t a c h a r y a ，m r a z e g h i ，m d e f o u ra n df o m n e s ，a p p l p h y s l e t t ，5 6 ，8 3 3 ( 1 9 9 0 ) s 【2 3 】李先皇， 陆防，孙恒慧，物理学报，4 2 ， 1 5 5 3 ( 1 9 9 3 ) 【2 4 q s z h u ，z q g u ，z t z h o n g ，z q z h o u a n d l w l u ，a p p l p h y s l e t t ，6 7 ， 3 5 9 3 ( 1 9 9 5 ) 2 5 j h z h u ，d w g o n g ，b z h a n g ，f l u ，c s h e n g ，h h s u na n dx w a n g ，p h y s r e v b ，5 4 ，2 6 6 2 ( 1 9 9 6 ) 【2 6 1 k s c h m a l z ，i n y a s s i e v i c h ，e j ，c o l l a r ta n dd j g r a v e s t e i j n ，p h y s r e v b ，5 4 ， 1 6 7 9 9 ( 1 9 9 6 ) 2 7 s k z h a n g ，h j z h u ，e l u ，z m j i a n g a n dx t mw a n g , p h y s r e v l e t t ，8 0 , 3 3 4 0 ( 1 9 9 8 ) 6 第二章用深能级瞬态谱研究s i g e 量子点的 空穴的俘获过程 2 1引言 近年来，半导体量子点成为凝聚态物理前沿研究的热点之一。量子点又称 为人工原子，是现代生长工艺制造出来的尺寸在纳米量级的半导体晶粒。量 子点由于它的三维限制效应，使得量子点中被俘获的载流子表现出很多独特的 性质。首先，在其还存在一定的遂穿几率。深能级瞬态谱( d l t s ) 方法是 一种研究半导体器件深能级性质的方法口1 。它能够比较灵敏的检测出半导体样 品中的缺陷。它通过研究载流子的热发射情况已经被广泛的应用于各种半导体 体材料的缺陷之中m 】。近年来，深能级瞬态谱方法也被应用于测量量子点中 的能级结构以及库仑荷电效应m 。在本章中，我们用d l t s 方法研究了s i 基 g e 量子点中空穴发射的情况。我们通过改变d l t s 的测试脉冲高度和反向偏 压从而控制量子点中费米能级的位置以及费米能级扫过的量子点中所有或某一 些空穴束缚能级，观察到了由于不同束缚能级上空穴的发射而引起的d l t s 峰 峰位的移动。通过改变d l t s 的测试脉冲宽度从而控制g e 量子点中空穴的逐 个俘获过程，观察到了容纳不同数目的空穴的( 3 e 量子点中空穴发射引起的 d l t s 峰的移动以及双层量子点不同层中的载流子由于遂穿而引起的d l t s 峰的 移动。 2 2d l t s 测量s i 基g e 量子点的实验原理 d l t s 测试装置的框图如图2 1 ( a ) 所示，在实际测量过程中， 在样品的正面 加上一个固定的偏压v n ，同时叠加一个脉冲宽度为t d 的电压脉冲，脉冲前后 偏压的变化使得量子点样品的费米能级扫过一定数量的束缚能级。在脉冲期 间，空穴被注入到费米能级以上的量子点的束缚能级上，脉冲过后，在反向 偏压下空穴将从量子点中某能级以一定的发射几率e 发射至s i 价带顶，引起 d l t s 测试系统图 嚏 _ jul 7 1 样品偏置电压及相应的瞬态信号 图2 1d l t s 测试示意图 深能级瞬态谱 势垒电容c ( t ) 以时问常数t = l e 。衰减，如图2 1 ( b ) 所示。而量子点中第1 个能 级上的空穴发射率为： e i = a c y t 2 e x p ( 一e al k t ) ( 1 ) 式中a 是一个与温度无关的常数，o 是俘获截面，e e t ，是量子点中量子化能 级e l 到s i 价带边的距离。在量子点中e a 。包含了空穴的激活能以及空穴之问 强烈的库仑相互作用能。在空穴发射所测量到的瞬态电容上固定两个取样时间 t 和t ：， 测量该两点的差值： t+ a c = a c ( 0 ) e x p ( 一二o ) 一x c ( 0 ) e x p ( 一! 土)( 2 1 tt 随温度的变化就可得到d l t s 信号。该信号在峰值处满足极值条件： e 。= i n ( t2 t 1 ) ( t2 一t 1 )( 3 ) 如果改变率窗值，就可以得到一组e d t 的数值，所以e a 。可以从直线关系 l n ( e 。t 2 卜1 k t 的斜率中获得。由于库仑荷电效应，同一能态上的空穴的激活 能会随着填充空穴的数目的增多而降低，能级变浅。在d l t s 测试过程中，通 过控制反向偏压和脉冲高度来调节费米能级所扫过的能级位置。费米能级扫过 的浅能级增多时，d l t s 谱的峰位随空穴的激活能的降低而朝低温端移动，反 之如果扫过的深能级增多时，其峰位朝高温端移动。通过调节脉冲时间k 可 控制量子点俘获空穴的个数。对于单层量子点，随着脉冲电压的增加，俘获 空穴个数的增多，d l t s 峰朝低温方向移动。但对于间距较近的双层量子点， 实验却发现随着脉冲电压的增加d l t s 峰位并不是单调的随温度变化。 从上面的公式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 中可以知道d l t s 谱和激活能e a l 、俘获截面o 、 c ( 0 ) 以及率窗的选择有关。对于量子点中单一能级，如果已知e a l 、o 、a c ( o ) 就可以模拟计算得到相应d l t s 谱，如图2 2 ( a ) 所示。当量子点中存在几 个量子能级时，每一个能级位置根据各自的能级参数都有其相对应的d l t s 谱，如果这几个能级位置非常接近，d l t s 谱就是这几个能级信号的叠加。如 图2 2 ( b ) 所示。所以如果从实验结果计算得到能级参数，模拟计算不同条件 下的d l t s 谱，就可以验证实验结果的正确性。 2 3样品的制备 9 t e u 6 1 ss a l e u 6 1 ss l l g 0 o o o m n 坌蚺 i - - ，、 q o o 、一 o o o n o 吣n o o n o 协i 套逃恕卜jq n “匝 o o 王 o n 实验用的样品是在电阻率为o 0 lq c m 的p 型( 1 0 0 ) s i 单晶衬底上用分 子束外延的方法生长的。样品a 为单层量子点样品，在衬底温度为6 0 0 。c 时 沉积2 2 0 n m 厚的s i 缓冲层，随后淀积厚度为1 7 n m 的g e 量子点层。最后4 0 0 n m 厚的s i 层覆盖在g e 层上，样品a 中所有的s i 的掺杂浓度为2 x 1 0 。样品b l ， b 2 ，b 3 为三块双层量子点的样品。在衬底浓度为5 0 0 。c 时沉积2 0 0 n m 的s i 缓 冲层，随后分别淀积2 层g e 量子点层，第一层g e 量子点的厚度为1 4 n m ，第 二层量子点的厚度为1 3 n m 。三块样品两层量子点层中间的间隔层厚度不同，样 品b l 的间隔层为3 r i m ，样品b 2 的间隔层为4 5 n m ，样品b 3 的间隔层为6 n m 。 最后3 2 0 n m 的s j 覆盖层分别覆盖在三块样品的第二层g e 量子点上面。样品b 】， b 2 ， b 3 所有的s i 层掺杂浓度为1 x 1 0 ”。样品中g e 层最终厚度是淀积厚度的 0 6 6 倍。图2 3 为4 块样品的结构示意图。 在实际的生长过程中，在长第二层量子点的时候由于应力的原因浸润层比 较薄就会形成g e 岛，所以淀积厚度相同的情况下，第二层量子点的实际尺寸 会比第一层大一些。 所有的样品正面蒸a 1 形成肖特基接触，背面蒸a l 形成欧姆接触。 2 4样品的c v 特性 对于锗硅量子点样品，由于量子点中的能量较低，使其附近硅层中的空 穴向量子点中转移，并在量子点中积累。当外加反向偏压使得样品肖特基势 垒的耗尽区扩展到量子点层时，量子点内空穴的积累使得在一定的电压范围内 电容值变化很小。所以在c v 曲线上就表征为一个电容平台。该c v 曲线可 为选取d l t s 测量时所施加的电压脉冲范围提供参考依据。所有样品在室温下 的c v 特性曲线。如图2 4 所示。 图2 4 中样品a 、样品b 1 、b 2 、b 3 的c - v 曲线中都出现了明显的电容平 台，表征出量子点中存在空穴积累1 8 l 。电容平台越宽，说明被俘获的空穴数 越多。从图2 4 中可以观察到，双层量子点样品c v 曲线中电容平台的宽度 随着间隔层的减小而增大，这说明被量子点俘获的空穴数随着双层量子点间隔 层的减小而增加。这可能是由于在锗淀积量相同的情况下，靠近表面的第二 1 t s i c a p s i b u f s i s u b 样品a s i c a p s i b u f s i s u b 样品b 1 3 n m s i c a p s i b u f s i s u b 样品b 2 4 5 n m 图2 3 样品结构图 2 s i c a p s i b u f s i s u b 样品b 3 6 n m 间 _ 隔 层 1 ( - i d ) e o u e ! o e d e o o n工e1=4 掣鼗人-u岛卜赠删略夹幸“匦 一人)西=o 寸 n o 幻 o o ro 岭1 o o no 的no o n 3 1 t 层量子点的尺寸随着间隔层的减小而增加，使空穴的俘获数增加，反映在电 容平台随间隔层减小而增加。 从图2 4 中可以得出d l t s 测量时所施加的电压脉冲的范围。在反向偏压 为- 1 5 v 时， 样品a 的量子点层中的空穴被全部抽空，费米能级位于量子点 中空穴基态能级以上，在正向脉冲电压为0 5 v 时，量子点中填满了空穴，费 米能级位于量子点中最浅的空穴束缚能级以下。同样，对于样品b i ，b 2 ，b 3 ， 在反向偏压分别为一6 ，- 4 ，一3 5 时，量子点中的空穴全部被抽空，在正向脉冲 电压为0 v 时，量子点中填满空穴。 2 5s i 基g e 量子点的深能级瞬态谱 2 5 1 用深能级瞬态谱测量g e 量子点中的量子限制能级 对于样品a ，样品b l ，b 2 ，b 3 ，在7 7 k 到3 0 0 k 的温度范围内进行d l t s 测试， 观察到了源自于g e 量子点中空穴发射所产生的d l t s 多子峰。通过改 变测试时所加的反向偏压和脉冲电压， 调节费米能级在量子点中的变化范围， 从而可以测量空穴在量子点中不同能级上发射所对应的d l t s 信号峰。由于量 子点俘获空穴所需的时间一般要比量子阱和缺陷所需的时间短得多，通常在i l s 量级”1 、 9 - 1 0 1 ， 所以测试过程中取脉冲宽度为l m s ，保证量子点能够在脉冲期 间俘获它所能容纳的最大数目的空穴。 2 5 1 - 1固定脉冲电压，改变反向偏压 图2 5 是不同样品，在相同的脉冲电压不同的反向偏压下所测得的d l t s 谱图， 观察率窗取为t l = 1 0 m s ，h = 8 0 m s 。 固定正向脉冲电压即固定量子点俘 获空穴时的费米能级的位置，调节反向偏压也就是调节量子点发射空穴时的费 米能级位置，d l t s 可以测量得到在量子点中，脉冲前后费米能级位置变化 范围内的能级上空穴发射所对应的信号。 由于不同的反向偏压下的c ( o o ) 不同， 所以将不同的反向偏压下的d l t s 信号分别除以其平衡电容，以便于相互比较。 从图2 5 中可以看出，所有样品谱图中的d l t s 峰的峰位都是随着偏压的增大 而逐渐朝高温端移动，而且峰宽也逐渐增大。增加反向偏压的时候，费米能 级抬高，所以脉冲前后费米能级扫过的能级范围增大，就可检测到更多的比 4 1 ( d c o ) c ，) c ，) j o ( u c o ) c ，) c ，) j o 1 0 0 t ( k ) 1 5 0 1 0 01 5 0 t ( k ) 图2 5 样品随反确压变化的d l t s 谱图 ( d c d ) c ，) c ，) - j o 1 0 01 2 5 t ( k ) 1 5 01 7 5 t ( k ) 。 c u c o ) c ，) c ，) 1 j o 1 0 01 2 5 ( a ) 样品a ( c ) 样品b 2 1 5 01 7 52 0 0 t ( k ) ( b ) 样品b 1 ( d ) 样品b 3 较深的能级上的空穴的发射，相应的d l t s 峰总体的就应该朝高温端移动，峰 的宽度也逐渐增大。 对于样品b l 在反向偏压较小( noi。 qoi。套辎整专餐越憾是鸶愀s曜糙【in囤 、 ( 口 c o ) t ，) c 0 j o t ( k ) t ( k ) 图2 1 2 样品b 2 变脉冲宽度的d l t s 谱 c 廿 c o ) c ，) _ _ o c 。) t ， _ o t ( k ) ( a ) v r = - 0 5 v ，v o = 0 v ( c ) v r = - 1 5 v ，v p = 0 v ( b ) v r - - 1 v 。v p = 0 v ( d ) v r = - 2 v ，v p = 0 v ( c ) ( d ) 移动，峰宽逐渐增大； 在测试条件为v 。= 1 5 v ，v 。= 0 v 时，d l t s 峰的峰 位基本上不随脉冲时间的变化而变化，但峰宽却有所增大； 在测试条件为 v r 一1 v ， v p = 0 v 和v r 一0 5 v ，v 。= 0 v 时，d l t s 峰的峰位和峰宽都基本上 不再随脉冲宽度的变化而变化。观察图2 9 和图2 1 2 ， 样品a 和样品b 2 变 脉冲宽度的d l t s 谱图总体趋势相类似的。由于样品b 2 的两层量子点之间的 势垒比较薄，相邻量子点中的能级互相贯通形成子带，因此其俘获与发射空 穴的特性与单层量子点相类似。 为了确定量子点俘获空穴的具体过程，借助于计算机的模拟计算，可进 一步计算出每一条d l t s 实验谱线所对应的空穴发射数量以及这些空穴来自于 那些能级。设p i 为g e 量子点第i 能级上发射空穴的几率， 取率窗为t l = 3 0 m s ， t 2 = 1 0 0 m s ，根据实验中最小脉冲宽度时所测得的d l t s 谱，通过公式( 1 ) 和公 式( 2 ) 计算得到的能量作为e 。，根据实验中d l t s 峰高和峰宽的变化推算出库 仑电荷能及空穴在各能级上占据的几率p i 来模拟实验曲线，模拟结果如图2 1 3 中虚线所示( 图中e i = 4 0 表示4 0 的量子点第i 能级上占据空穴而其余6 0 的 量子点第i 能级上没有空穴占据) ，可以看出模拟曲线与实验曲线符合得很好。 它们揭示了量子点逐个俘获空穴的过程。从图2 1 3 中可以得到样品b 2 在测试 条件为v r = - 2 v ，v p o v 时，有三个空穴能级参与俘获与发射过程， 在v 。= 1 5 v ， v d - o v 时有两个空穴能级参与俘获与发射过程，在v 。= - 0 5 v ， v p = 0 v 时只有一个空穴能级参与俘获与发射过程。 在测试条件为v 。一0 5 v ，v 产o v 的模拟过程中随着测试脉冲宽度增大，d l t s 峰的峰位微微有向高温端移动，这 可能是由于较小的量子点空穴能量相对比较浅所以在小脉冲时间时有较大的俘 获几率引起的。 表2 1 为通过实验曲线和理论模拟曲线计算得到的不同实验条件下的d l t s 所测的量子点样品b 2 的空穴能级，这些能级间的大小差别反映了量子点平均 每俘获一个空穴要克服的库仑能的大小，约为2 0 m e v 。 e l ( e v ) o ( c m 2 )e 2 ( e v ) ) o ( c m 2 )e 3 ( e v ) ) o ( c l n 2 ) 一2 v - 0 vo 3 0 2 8 4 e 130 2 8 l 1 e 一1 2o 2 5 9 o 8 e 1 2 1 5 v - 0 v0 2 8 3 0 9 e 1 20 2 6 0 0 8 e - 1 2 0 5 v - 0 v0 2 6 0 0 8 e 1 2 表2 1 样品b 2 的空穴能级 、 e u f ! ss j , i ol e u n ss 】, l o 翅 刚 y 卜烈 俅 套 辎 蜜 力 。 邕涩 卜。赵 憾 - e - r 鸶 别z 岔芦 喀未 婪辱 一m一=n匝 一y j - y 、一 i - - y 、一 i - 母 芏r r 卜_ “ 圈 0 晌 一 i 叱 磐斟 辞林f 1 套辎她兰d g越偎是鸶锹n咯矢半 、 转斟；甜椿 。eon山o 岣no山一。山 。e o n l - 山1 m ino山一，山 。eol，山寸 ，mnono山一，山 一邑_ l 。ini芷 咯粘一。一r 2 5 3 用深能级瞬态谱观察双层g e 量子点的空穴俘获和隧穿过程 对于样品b 3 ，同样做固定偏压下的变脉冲宽度的d l t s 测试，结果如图 2 1 4 所示。 取观察率窗为t l = 1 0 m s ，t 2 = 8 0 m s 。在测试条件分别为v r = 一i v ， v p = 0 v 和v 。= 一2 v ， v 口- 0 v 的情况下，随着脉冲宽度的增大，d l t s 峰的峰 位明显朝高温端移动，和前面单层量子点的d l t s 图比较峰位移动的趋势完全 不同。所以假设了一个双层量子点的空穴隧穿模型。如图2 1 5 所示，当量 子点俘获一个空穴的时候，它占据靠近衬底的第一量子点层的比较深的能级。 随着俘获时间的增大，这个空穴会有一定的几率隧穿进入靠近表面的第二层量 子点层相应的能级。如果俘获时间继续增大，整个量子点体系俘获第二个空 穴，两个空穴分别处于两层量子点中相同的能级上。当第三个空穴被俘获的 时候，由于库仑荷电效应，这时它占据第一层量子点中比较浅的能级。同样， 这第三个空穴也有一定的几率隧穿进入第二层量子点，使第二层量子点的能级 被抬升。这时第一层量子点中只剩下一个空穴，失去了库仑相互作用，它退 回原来比较深的稳定的能级。当第四个空穴被俘获的时候，第一个量子点层 的能级再次在库仑能的作用下抬高，如图2 1 5 所示。在实际样品的生长过 程中如前所述，对于间隔层比较小的双层量子点，由于应力的作用上面一层 的量子点受到下面一层量子点的影响点的尺寸会增大，那么上面一层量子点的 能级就要比下面一层深，反应在d l t s 谱上即为峰位朝高温端移动。 同样，为了进一步证实量子点的时间相关的俘获过程，对不同脉冲宽度 的d l t s 谱进行模拟计算，其结果如图2 1 6 中的虚线所示。模拟的过程和b 2 样品相同。它揭示了空穴逐个被俘获和隧穿的过程。从模拟的曲线得到量子 点样品b 3 在测试条件为v 。= 1 v ，v f 0 v 时，量子点体系俘获了两个空穴，分 别处于两层量子点的比较深的能级上。在v 。= 2 v ，v , = 0 v 的条件下量子点体 系以一定的几率俘获了四个空穴。在图2 1 6 ( a ) q he l 代表靠近衬底的第一层量 子点的能级，e 2 代表靠近表面的第二层量子点的能级。在图2 1 6 ( b ) 中e l 和 e 3 代表第一层量子点的能级，e 2 和e 4 代表第二层量子点的能级。 表2 2 为通过实验曲线和理论模拟曲线计算得到的不同实验条件下的 d l t s 所测的量子点样品b 3 的空穴能级，第一层量子点能级间的大小差别和 第二层量子点能级间的大小差别基本相同，它反映了量子点平均每俘获一个空 穴要克服的库仑能的大小，约为1 4 m e v 。 ( 5 ) - ( 6 ) 图2 1 5 双层量子点的空穴隧穿模型 第一层e a ( e v ) 第二层e a ( e v ) 第一层e a ( e v ) 第二层e a ( e v ) o ( c m 2 )o ( c m 2 )o ( c m 2 )o ( c m 2 、 2 v - o vo 3 0 0 1 e 1 20 3 3 8 1 6 e - l lo 3 l4 1 4 e 1 20 3 5 2 1 3 e 1 1 1 v 0 vo 3 1 4 1 1 4 e 1 20 3 5 2 1 6 e 1 1 表2 2 样品b 3 的空穴能级 n ”q 。aa 。a aa 。a ”an 。a 。a c d c o ) 们 c ，) 竺 o t ( k ) 图2 1 4 样品b 3 的变脉冲宽度的d l t s 谱 ( a ) v r = - l v ， v 。= 0 v ( b ) v r = - 2 v ，v 。= 0 v l e u 6 1 ss 引al e u 6 1 ss ；l ( 3 迥秘尉 趔繇椿i l 一) 一卜 套辎舌s y 一卜 oial-i比 越憾是蕾锹n咯婪令一警n匝 一y 一卜 3 5 卜- 趔 衡 林 套 辎 o o 一窖 遥秘斟 一邑 onni旺 越憾是蕾制n咯粘 y 一卜 一d一寸1n匝 一邑 2 3 总结 用d l t s 方法研究了g e 量子点中空穴的俘获和隧穿过程，调节d l t s 的 反向偏压和脉冲高度控制费米能级在脉冲前后的位置，从而控制俘获和发射空 穴能级；调节d l t s 的脉冲宽度控制俘获空穴的个数， 观察到了空穴库仑荷 电效应和隧穿效应。 参考文献 【1 】s a n a r d ，n c m j s s o n ，m e p i s t o l ，l s a m u e l s o na n dw s e i f c r t ，a p p l p h y s l e t t ， 6 7 ，3 0 1 6 ( 1 9 9 5 ) 【2 s k z h a n g ，h j z h u ，f l u ，z m j i a n ga n dx u nw a n g ，p h y s r e v l e t t ，8 0 ， 3 3 4 0 ( 1 9 9 8 ) 3 d v l a n g ，j a p p l p h y s ，4 5 ，3 0 2 3 ( 1 9 7 4 ) 【4 】j x u ，e l ua n dh h s u n ，p h y s r e v b ，3 8 ，3 3 9 5 ( 1 9 9 8 ) 5 】f w ，h h s u na n df l u ，a p p l p h y s l e t t ，6 8 ，1 5 3 5 ( 1 9 9 0 ) 【6 f l u ，f l ua n dh h s u n ，s