（理论物理专业论文）量子限制杂质远红外发光器的研制及相关理论计算.pdf

一0 ttl，o， ：r i_zl，廿m，j。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 剖堑 f i期：出丛兰圣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：妞导师签名：恤日 期：翌i 呈：! 三， 1 2 国内外发展趋势3 1 2 1 半导体量子点3 1 2 2 量子点制备方法的研究进展4 1 2 3 量子点在发展中存在的问题6 1 3 课题主要研究内容7 1 4 研究的目的和意义8 第二章样品的制备及测试方法1 l 2 1 实验原理与实验设备1 1 2 1 1 分子束外延( m b e ) 技术1 1 2 1 2 红外f o u r i e r 光谱仪1 3 2 1 3h p 4 1 5 6 a 半导体参数分析仪1 5 2 2 样品的制备1 6 2 2 1 衬底的选择与预处理1 6 2 2 2 万一掺杂g a a s a 1 a s 多量子阱样品的制备1 6 2 2 3 远红外发光器的制作工艺1 8 2 3 测试方法1 9 第三章万一掺杂量子阱t h z 远红外发光器件的特性研究- 2 2 3 1 量子阱的能态结构及限制阱中受主原子的能带结构2 2 3 1 1 异质结量子阱的量子态2 2 3 1 2 受主原子在量子阱中的能级结构2 3 3 2 三量子阱远红外发光器的光学性质2 4 3 2 1 远红外吸收谱2 4 ij j 尔人学硕十学位论文 3 2 2 电致发光谱2 5 3 3 三量子阱远红外发光器的i v 特性2 7 第四章理论计算与讨论3 0 4 1 理论方法3 0 4 2 理论计算3 2 4 3 结果与讨论3 3 4 3 1 受主束缚能与量子阱宽度的变化关系3 3 4 3 2 变分参数与量子阱宽度的变化关系3 5 第五章总结3 7 5 1 主要结论3 7 5 2 创新点3 8 5 3 有待深入解决的问题3 9 附录4 0 参考文献5 0 致 射5 8 攻读硕士期间发表学术论文及参与课题5 9 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i s y m b o l s v c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2l i t e r a t u r er e v i e wa n dt e n d e n c y 3 1 ：! 1q u a n t u md o t s 3 1 2 2r e s e a r c ha d v a n c e so nq u a n t u md o tp r e p a r a t i o n 4 1 2 3p r o b l e m se x i s t i n gi nq u a n t u md o td e v e l o p m e n t 6 1 3c o n t e n ts u m m a r y 7 1 4r e s e a r c ho b j e c ta n ds i g n i f i c a n c e 8 c h a p t e rt w op r e p a r a t i o na n dm e a s u r i n go fs a m p l e s 1 1 2 1e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n de q u i p m e n t 11 2 1 1m o l e c u l a rb e a me p i t a x y i1 2 1 2f o u r i e r - t r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r 13 2 1 3h p 4 1 5 6 as e m i c o n d u c t o rp a r a m e t e ra n a l y z e r 1 5 2 2p r e p a r m i o no fs a m p l e s 16 2 2 1s e l e c t i o na n dp r e t r e a t m e n tt os u b s t r a t e s 1 6 2 2 2p r e p a r a t i o no f5 - d o p e dg a a s a i a sq u a n t u mw e l l s 16 2 2 3p r e p a r a t i o no ff a r - i n f r a r e de m i t t e r 18 2 3i n t r o d u c t i o no f t e s tm e t h o d s 1 9 c h a p t e rt h r e es t u d y so np r o p e r t i e so f 6 一d e l t af a r - i n f r a r e de m i t t e r 2 2 3 1q u a n t u mw e l ls t r u c t u r ea n db ea c c e p t o re n e r g ys t r u c t u r e 2 2 3 1 1q u a n t u mw e l ls t r u c t u r e j 。2 2 3 1 2b ea c c e p t o re n e r g ys t r u c t u r e 2 3 3 2s t u d y so no p t i c a lp r o p e r t i e so f t r i p l e - q u a n t u m - w e l l 2 4 3 2 1f a r - i n f r a r e da b s o r p t i o ns t u d i e s 2 4 山尔人学硕f ：学位论文 3 2 2e l e c t r o l u m i n e s c e n c es t u d i e s 2 5 3 3i - vc h a r a c t e r i s t i c so f t r i q u a n t u mw e l li n f r a r e de m i t t e rd e v i c e 2 7 c h a p t e rf o u rt h e o r yc a l c u l a t i o na n dd i s c u s s i o n 3 0 4 1t h e o r ym e t h o d 3 0 4 2t h e o r yc a l c u l a t i o n 3 2 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 3 4 3 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb i n d i n ge n e r g ya n dq u a n t u mw e l lw i d t h 3 3 4 3 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i a t i o n a lp a r a m e t e ra n dq u a n t u mw e l lw i d t h 3 5 c h a p t e rf i v ec o n c l u s i o n 3 7 5 1m a i np o i n to f t h i st h e s i s 3 7 5 2m a i np o i n to f t h i st h e s i s 3 8 5 3f u t u r ew o r k 3 9 a p p e n d i x 4 0 r e f e r e n c e s 5 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 8 p u b l i c a t i o nl i s ta n df u n d 5 9 山尔人学硕十学位论文 中文摘要 量子限制杂质远红外发光器是种全新的器件，它可以发射波长在太赫兹区 域，是目前远红外发光材料和器件研究的一个热点。本文围绕远红外发光器这 一主题，以对太赫兹发光器的理论研究为切入点，丌展了对太赫鲍发光器材料 的选择、器件制备以及特性分析的研究。 本文首先介绍了基于量子点的远红外发光器件的研究背景，延伸出太赫兹 频率的广泛应用及其辐射和探测技术，然后回顾半导体量子点的研究进展及存 在的问题，从而引入本论文的工作太赫兹远红外发光器件，给出了远红外发光 器件制备的基本原理和采用的外延生长方法。基本原理是在量子限制效应下的 杂质原子可以作为单电子量子点，可以发射太赫兹频率，用于制作远红外发光 器件。我们是采用通过生长半导体超品格常用的分子束外延方法( m b e ) 制备 了半导体低维g a b s a l a s 量子阱系统，并在g a a s 量子阱中d e l t a 一掺杂受主b e 原子制成我们所需要的样品结构，然后利用此样品通过半导体工艺制备出万一 掺杂g a a s a 1 a s 多量子阱远红外发光器件。测量了器件的一些电学参数和光学 参数，加以解释，从而对提高器件的发光效率提供依据，并进行了相关的理论 计算。 利用分子束外延方法在半绝缘( 1 0 0 ) g a a s 衬底生长g a a s h l a s 三量子阱， 阱宽1 0 n m ，垒宽5 n m ，在生长过程中对中间量子阱d e l t a 注入受主b e 原子，掺 杂浓度为5 1 0 旧c m ，其他两阱未作掺杂，制成样品结构。利用此样品通过分 割、脱脂、刻蚀、电极接触金属化等工艺过程制作出万一掺杂g a b s a l a s 多量子 阱电注入远红外t e r a h e r z 原型发光器件。这种器件为利用量子限制杂质原子态 之间的跃迁来研发固态太赫兹激光器系统提供了一定的可能性，优点是：通过 m b e 技术可以精确控制生长；能级结构具有可调性以及量子点所具有的一般物 理性质。 实验上测量得到4 5 k 下器件的电致发光谱( e l ) 和电传输特性( i - v 曲线) ， 这为进一步改善器件的发光性能、提高发光效率提供了理论依据。在外加偏压 v = 2 0 v 下e l 发射谱中清楚地观察到在2 2 2 c m l 处宽的尖峰，这是来源于铍受主 山东人学硕十学位论文 奇宇称激发态到它的基态的辐射跃迁，而非辐射弛豫过程则使发射谱的信号很 弱，这是我们今后需要改进的方面。另外在4 5 k 下的i - v 曲线中o 7 2 伏和1 8 6 伏的位置出现两个共振隧道贯穿现象，分别对应于中间d e l t a 一掺杂量子阱受主 能级l 邑，2 ( r 。+ f ，) 到左边非掺杂g a a s 量子阱中h h 带及右边非掺杂g a a s 量子阱 中h h 重空穴带到中间掺杂g a a s 量子阱中铍受丰杂质原子奇宇称激发念 2 p 5 2 ( r 6 + i 7 ) 能级的芡振隧穿。 理论上研究了量子限制效应对限制在g a a s a 1 a s 多量子阱中受主对重宅穴 束缚能的影响，应用量子力学中的变分原理，数值计算了受主对重空穴束缚能 随黾子阱宽度的变化天系，以及变分参数随量予阱宽度的变化曲线，所取的量子 阱宽度从3 n m 到3 0 n m 的范围，与实验值相比较发现理论计算和实验结果符合的 较好。 关键阋：量子限制效应：万一掺杂；g a a s a 1 a s 三量予阱；电致发光；共振隧穿 效应 l i i l j 尔人学硕+ 学位论文 ab s t r a c t l i g h te m i t t i n g d e v i c e sd e s i g n e db a s e do nq u a n t u mc o n f i n e di m p u r i t yh a v e p r o v e nt h e i rc a b i l i t y a n d v e r s a t i l i t y w i t ht h er e a l i z a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c e o p e r a t i n gf o rf a r - i n f r a r e dw a v e l e n g t h t h es t u d yo nt h eg a a s a i g a a sq u a n t u m w e l l i n f r a r e de m i t t e ri sah o t s p o ti nt h ef i e l do ft h er e s e a r c ho ni n f r a r e dm a t e r i a l sa n d i n f r a r e d a p p a r a t u s i nt h i st h e s i s ，p i c k i n gt h et h zi l l u m i n a t o r a st h ep o i n to f p e n e t r a t i o n ，t h i sa r t i c l ec a r r i e do u tr e s e a r c ho nm a t e r i a ls e l e c t ，d e v i c ef a b r i c a t i o na n d c h a r a c t e ra n a l y s i so ft h et h zi l l u m i n a t o r f i r s t ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ff a r - i n f r a r e de m i t t e r ，w h i c h i sb a s e do nq u a n t u md o t s t h e ni ti n t r o d u c e st h ew i d e s p r e a du s eo ft h et h zf r e q u e c y a n dc o r r e s p o n d i n gr a d i a t i o na n dd e t e c t i v et e c h n o l o g yf i r s t l y , f o l l o w e db yag e n e r a l r e v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ta n dp r o b l e m so fs e m i c o n d u t o rq u a n t u md o t s ，w h i c h g i v e sa ni n t r o d u c et ot h em a i nw o r k - t h zi n f a r e di l l u m i n e s c e n td e v i c e sw i t hb a s i c f a b r i c a t i o np r i n c i p l e s t h eb a s i cp r i c i p l ew o r k si nt h ew a yt h a tq u a n t u mc o n f i n e d d o p e da t o m sb ya c t i n ga ss i n g l eq u a n t u md o tr a d i a t et h zl a s e rl i g h t ，w h i c h i s a d a p t a b l e f o ri n f a r e d i l l u m i n e s c e n c ed e v i c ef a b r i c a t i o n t h eg a a s a i a s t r i p l e q u a n t u m - - w e l ls a m p l e sw e r eg r o w nb ym o l e c u l a rb e a me p i t a x y , a n dt h em i d d l e g a a sq u a n t u m w e l ll a y e rw a sd e l t a - d o p e da tt h ew e l lc e n t r ew i t hb es h a l l o w a c c e p t o r s t h e nt h ef a r - i n f r a r e dt e r a h e r t zp r o t o t y p ee m i t t e rw a sf a b r i c a t e du s i n gt h e s a m p l e sa sm e n t i o n e d e l e c t r o n i cp a r a m e t e r sa n do p t i cp a r a m e t e r so fe m i t t e ra r e m e a s u r e da n de x p l a i n e d ，w h i c hp r o v i d eb a s i so nh o wt oi m p r o v el u m i n e s c e n c e e f f i c i e n c y t h eg a a s a i a st r i p l e - q u a n t u m w e l ls a m p l e sw e r eg r o w no ng a a s ( 10 0 ) s e m i i n s u l a t i n gs u b s t r a t e ，t h ew i d t ho fq u a n t u mw e l la n db a r r i e ri s 10 n m 5 n m ，b e d o p i n gc o n c e n t r a t i o ni nt h em i d d l ew e l li s5 x10 1oc m ，n od o p i n gi nt h eo t h e r t w o w e l l s t h es a m p l ei sc l e a n e db yt r i c h ，a c e t o n e ，m e t h a n o la n dd i w a t e ri nt h ec l e a n i n g r o o m t h e np h o t o l i t h o g r a p h yt od e f i n em e s a , a n de t c h i n gu s i n gh 3 p d 4 ：h 2 0 2 ：h 2 0 t h e ne v a p o r a t i n gm e t a l sc r a uf o rp - t y p e ，r e m o v eg a a so x i d eb yh c i ：h 2 0 l a s t 山尔人学硕十学位论文 w i r eb o n d i n g t h r o u g ht h i s p r o c e d u r e ，t e r a h e r t ze m i t t e ri sm a d eu p t h i sd e v i c e p r o v i d e sp o s s i b i l i t i e sf o rs o l i dt h zl a s e rd e v i c es y s t e mr e s e a r c h i n gb yu s i n gs t a t e s t r a n s i t i o no fq u a n t u mc o n f i n e di m p u r i t i e s t h ea d v a n t a g e so fs u c hd e v i c e sl i e sa s f o l l o w s ：p r e c i s ec o n t r o l l i n go ng r o w t hp r o c e d u r eb ym b et e c h n e q u e ；a d j u s t a b l e e n e r g yl e v e la n du n i v e r s a lp r o p e r t i e st h a tq u a n t u md o t sp r o s s e s s e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) a n dc u r r e n t v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ( i - v ) w e r e m e a s u r e da t4 5k i nt h ee ls p e c t r u m ，aw i d ep e a kw a so b s e r v e dc l e a r l ya t 2 2 2c m ，w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h eb ea c c e p t o r sr a d i o a c t i v et r a n s i t i o n sf r o mt h e e x c i t e do d d 。p a r i t ys t a t et ot h eg r o u n ds t a t e n e v e r t h e l e s s ，t h ee m i s s i o ns i g n a lw a s w e a k e n e db yn o n - r a d i o a c t i v er e l a x a t i o n p r o c e s s e s i nt h ei - vc u r v e ，t h en e g a t i v e d if f e r e n t i a lr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ca tt h ep o s i t i o no f0 7 2a n d1 8 6vw a sa l s o o b s e r v e dc l e a r l y t h i si sc o n s i d e r e da st h er e s o n a n tt u n n e l i n gb e t w e e nb ea c c e p t o r e n e r g yl e v e ll s 3 2 ( r 6 + r 7 ) i nt h em i d d l eq u a n t u m w e l la n dt h eh hib a n di nt h e l e f t 。s i d en o n - d o p i n gq u a n t u m w e l l ，a n dt h er e s o n a n tt u n n e l i n gb e t w e e nt h eh hb a n d i nt h ef i g h t s i d en o n d o p i n gq u a n t u m w e l la n db ea c c e p t o r 2 p 5 2 ( r 6 + i 7 ) e n e r g y l e v e lr e s p e c t i v e l y w et h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t et h ee f f e c to fq u a n t u mc o n f i n e m e n to na c c e p t o r b i n d i n ge n e r g yi nm u l t i p l eq u a n t u mw e l l s av a r i a t i o n a lc a l c u l a t i o ni sp r e s e n t e d t o o b t a i nt h ea c c e p t o rb i n d i n ge n e r g ya saf u n c t i o no fw e l lw i d t h t h eq u a n t u mw i d t h r a n g e sf r o m3t o2 0n l t l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r y k e yw o r d s ：e f f e c to fq u a n t u mc o n f i n e m e n t ；万- d o p e d ；g a a i v e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ；r e s o n a n tt u n n e l i n ge f f e c t r 矩阵群 j ：分角动量 e g 禁带宽度 衅电流单位 m o 自由电子质量 v o 量子阱限制势 e b 受主束缚能 j 角动量 m i 分角动量 h 哈密顿量 l - 阱宽 m 有效质量 波函数 e 系统总能量 v 量子阱红外探测器也已经商品化。在电子工业方面，共振隧道器件已大量应用 于集成电路。在微电子领域内，摩尔定律预测，每过1 8 个月，集成电路单个芯 片上集成的元器件数目将增加倍，而元件的特征尺寸缩小2 倍。当系统的几 何尺寸与电子波长可以比拟时，量子效应将成为主导的效应。当尺寸不断缩 d , n 纳米量级时，将出现许多新的量子现象，例如：电子干涉幢1 、电导振荡一1 、 外加磁场下带到振荡周期的突然变化瞄“1 等。目前又发展出了许多基于量子效应 的新颖电子和光电子器件，如共振隧道二极管和量子阱红外探测器。 与纳米尺度的物理相呼应，新的电子器件以及电子线路的设计和制备工艺 必须具有纳米精度。在过去的十年里，纳米生产技术h 8 1 ，如分子束外延、金属 有机化学气相沉积以及化学束外延等让世人瞩目，在制造人工半导体结构方面 进展巨大。目前，在样品生长方向上已经实现了小到单个原子层的精确控制尺 度，纳米生产技术的进步使量子效应器件从概念走向现实。 不同原理结构的器件，当特征尺寸缩小时，既有共性的量子效应，也有不 同的量子特征，需要进行仔细的理论和实验研究。随着先进材料制备方法、器 件工艺的不断发展，以及新理论、新计算方法的出现，用先进的理论结合必要 的实验手段去探索新型器件是当前科学家面临的挑战和使命。一个非常典型的 例子就是：与经典半导体物理用掺杂改变材料性能相对应，用维度来改变体系 的特性。二维、一维和零维度的量子阱、量子线、量子点的诞生，开辟了器件 物理的全新领域。相应的基本概念，包括晶格结构、能带论、异质结、包络函 数、有效质量、电子态密度与维度的关系等；相应的材料及器件制作，如体材 料和低维材料的生长、热扩散、离子注入和材料芯片技术等；相应的理论，如 山东人学硕卜学位论文 维度如何影响材料的电子态密度、材料的电学和光学性质、低维度系统的求解 等问题就势必摆在面前。 半导体的研究和应用，在当代物理学和高新技术发展中占有突出的地位。 半导体低维结构则是近些年来丌拓的新领域，它在一个新的水平上有力的推进 着半导体的研究和应用。以半导体超品格、量子阱、量子微结构为典型代表的 低维半导体结构，自1 9 6 9 年提出超晶格概念以来经历了3 0 多年的发展，己成 为凝聚态物理最活跃的新生长点和最富有牛命力的重要研究领域之一。 近年来，太赫兹频率旧1 由于其瞬念性( 1 5 1 秒) 、宽带性、相二 二性、低能性等 独特性能，在通信( 宽带通信) 、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成 像( 无标记的基因检查、细胞水甲的成像) 、无损枪测、安全枪台等领域带来了 深远的影响2 3 。然而长期以来，由于缺乏有效的t h z 辐射产生和检测方法， 人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱 中的t h z 空隙，该波段也是电磁波谱中有待进行全而研究的最后一个频率窗口。 太赫兹技术的研究领域主要集中在太赫兹辐射源产生和探测技术，因此如何产 生大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的太赫兹辐射源成为人们关 注的焦点3 删。 人们发展了多种技术来填补太赫兹空隙引，主要沿着三条途径来填补太赫 兹空隙：其一是光学技术。它的代表为太赫兹激光器，比如气体激光器、半导 体激光器以及量子级联激光器n 7 1 等，这一技术从高频向低频发展。其二是电子 学技术。这一技术由低频向高频拓展微波元件( 比如微波管、固体微波源) 的 频率范围。其三是超快光电子学技术。现在这三种技术提供的相干太赫兹辐射 源已经可以覆盖整个的太赫兹波段。以上几种方法都为t h z 脉冲的产生提供了 稳定、可靠的激发光源，使t h z 辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究 得到蓬勃发展n 8 删1 。因而，利用半导体低维结构制作t h z 远红外发光器件成为 科学家们研究的热点领域。再加上近年来，随着半导体薄膜生长技术的进步， 精确控制生长纳米级厚度的半导体薄膜已经成为了现实。因此，利用一定的半 导体生长工艺或射频转换技术如分子束外延( m b e ) 或金属有机化学气相沉积技 术( m 0 c v d ) 制备的量子结构成为人们关注的焦点，这种结构制成的t h z 发光器 是以量子限制半导体结构中载流子在电场下的单极注入和子带间的辐射跃迁为 2 l j i 尔人学硕十学化论文 基础产生t h z 频率的辐射。例如：太赫兹量子阱光电探测器、远红外光电探测 器、短波长量子级联激光器等似卜矧。这种基于量子限制发展起来的红外器件在 远距离传感、热成像、夜视和空f h j 定位等领域具有重要的应用。随着半导体超 晶格与量子阱研究的不断深入，量子阱红外探测获得了迅速发展。然而，由于 选择跃迁定则的限制，使其不能直接探测垂直入射光，而且在红外区只有较窄 的光谱响应。近年，随着半导体量子点物理研究的f 1 渐深入和自组织生长技术 的不断进步，一种以量子点作为有源区的新型红外光探测器，正在受到越来越 多研究者的广泛关注。虽然量子点红外探测器在结构形式和工作原理上与量子 阱红外探测器相类似，但它却有着后者所不可比拟的许多优点，例如对垂直入 射光敏感、可以达到更宽的光谱响应、具有较长的电子激发寿命、更低的暗电 流、更高的光电导增益和更高的光探测率等。量子点发射太赫兹的研究将在下 一小节详细介绍 1 2 国内外发展趋势 1 2 1 半导体量子点 半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构，它将在信息技术领域发挥重 要作用。人们制备量子点和研究其性质的努力已经进行了二十多年，取得了很 多进展。但是，人们所预期的量子点材料的优越性并没有充分体现，距离实现 理想半导体量子点的目标仍然有巨大的差距。本节力图对造成这些困难的基础 性问题做简单的说明。 量子点( q d ) 是量子结构研究的热点之一。它是在半导体超品格、量子阱基 础上发展起来的，属于低维限制系统，物理特性与原子极为相似，被称为“人造原 子”，是当前研究的新热点乜们。在量子点微观结构中，由于受到三个维度的束缚， 电子能量在三个维度上都是量子化的，并且随着量子点尺寸的减小，其分裂的能 级间距也会变大，它的尺寸比团簇心印大，但小于光刻精度。通过控制量子点几何 形状和尺寸可改变其电子态结构，实现对量子点器件的电学和光学性质的“剪 裁汹1 。与量子阱和超晶格的“能带工程 相对应，半导体量子点的制备应该 被称为“能级工程 。与量子阱的连续子能带相比，具有分立电子结构的量子点 山尔人学硕十学位论文 是更为理想的半导体激光器的工作介质。它的性质与体材料显著不同，包括量 子尺寸效应、量子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻 塞效应等，因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。半导体量子点被认 为可以应用在许多新型光电子器件中，如单电( 光) 子器件、微腔光源、激光器 等，量子点激光器已显示出从大功率、光纤数字传输到高速光源计算以及远红 外探测器等方面极重要的应用前景。 1 2 2 量子点制备方法的研究进展 量子点以其类似于原子的性质近年来受到很大关注，本小节主要对近期国 外文献报道的量子点制备方法的部分研究进展做了总结和评述。目前流行的量 子点制备方法有三种：一是在量子阱或超品格结构的基础上用高分辨电子束曝 光直写刻蚀的方法心7 。，量子点的形状、分行可控，但容易损伤而引入缺陷和玷 污；二是用胶体化学方法制备半导体纳米品态量子点心刖，但工艺仍不成熟；三 是利用晶体生长的s k 模式进行应变原位自组装生长量子点，也是最简便、成 熟的方法1 。 1 、量子点外延生长 外延有汽相外延( v p e ) 、液相外延( l p e ) 、分子束外延( m b e ) 等多种方式， 对于纳米器件而言，用汽相外延或液相外延制作的精度很差，在有关的文献报 道中较少提及，文献中报道的大多数基于i n a s g a a s 系统，并且是用m b e 生长 的，m b e 有利于同其他微细加工技术，如电子束光刻、反应离子束刻蚀及图形 化生长等技术结合起来制备量子点。和电子束一样，聚焦离子束( f i b ) 也可以 实现纳米级线宽加工，其最小直径可接近8 n m 。文献啪1 用f i b 和m b e 在选定位 置上生长了i n a s 量子点，用离子束聚焦在m b e 生长的g a a s 衬底上形成了一个 f i b 光斑凹坑列阵，让i n a s 量子点生长在这些凹坑中。经优化参数，每一个凹 坑被一个量子点占据的比例超过5 0 原子层外延( a l e ) 作为一种比m b e 更为精 细的外延方式，已经用于量子点生长。对分别用a l e 和m b e 生长的i n a s g a a s 量子点的分析表明，与m b e 相比，用a l e 制备的量子点尺寸更大，形状也更规 则。金属有机化学汽相沉积( m o c v d ) 可以实现沿生长方向单原子层的精度控制， m o c v d 是在中等压力下生长晶体的。 4 山尔人学硕十学位论文 2 、胶体量子点 胶体量子点由化学反应合成，典型地是通过某种有机会属反应路径，不需 要超高压设备或者有毒气体。对于i i l v 族半导体，其量子点的制备过程是，将 反应物分子迅速注入热溶剂中，使其发生成核和生长过程。溶剂中所含的有机 分子配体，阻止成核中心变大，并在成核粒子表面生成一层包裹，从而形成胶 体量子点。胶体量子点悬在有机溶剂中，可以通过旋涂等方式定型在各种衬底 上，不需要考虑品格匹配的问题，反应化学物的浓度、反应温度和反应时间决 定了胶体的最终尺寸，其尺寸分布一般小于1 0 。胶体量子点具有工艺简单、成 本低、构造灵活以及可以大面积覆盖等优点。应用得最多的胶体量子点为i 卜 族半导体。3 ，i i l - v 族胶体量子点的合成则要困难一些。难点在于反应温度较高、 反应时间较长，会属有机化学反应过程复杂，并且要在无空气、无水的条件下 进行，此外，合成的量子点还需要有稳定的保护层，以控制量子点的尺寸和分 布。 3 、应变自组装生长技术( s k ) 如果品格失配在5 - 1 0 之间，则首先是二维平面生长当形成一个或几个单 层后，后续层的生长变得不稳定而形成三维岛状结构，这一概念由s t r a n s k i 和 k r a s t a n o w 于1 9 3 7 年提出，故称为s k 模式。自组装法的原理是品格失配度适 中的两种材料，如，g e s i 、i n a s g a a s 等，在分子束外延或金属有机化学汽相 淀积初始阶段是二维平面生长，随着厚度的增加产生应变积累，导致在临界厚 度时外延层转变为三维岛状生长以降低系统能量，最终形成了均匀且无位错的 量子点。通过优化生长条件，可使量子点尺寸的不均匀性s1 0 ，密度控制在 1 0 8 - 1 0 c m - 2 。要充分发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用，实现其大小、 形状的人工调控是非常必要的。利用生长模式制备量子点的最大问题之一是如 何提高量子点的面密度和体密度，作为光电器件，量子点密度应该在1 0 1 0 a m 吨 的数量级。人们已在利用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展 幻，而这对最终实现大小和形状的均一化是非常有利的。目前，人们提高一量子 点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。 山尔人学硕十学位论文 1 2 3 量子点在发展中存在的问题 量子点因载流子在三维上都受到鼍子限制，态密度与能黾关系晕6 函数形 式，比普通半导体、量子阱或量子线器件的性能更优越，即具有更低的闽值电流 密度，更高的调制速度、特征温度和增益等。州。因此量了点在单电了器件n 制、 存贮器、量子计算、激光器。剐、探测器剐以及z 卜物医学等方面具有极为广阔的 应用前景。在各种量子点的研究中，i n a s g a a s 量了点最具有代表性，研究得 最为深入，其发光波长主要在近红外。虽然量子点在各个领域已经得到了广泛的 应用，但司样发现了量子点存在的许多问题。比如量子点激光器还无法取代量 子阱激光器，这足由于在牛长过程巾，量子点尺寸、形状和密度的随机分斫j 以 及量子点之i h j 的分离所导致在载流子收集和电荷冉分布上受剑限制，致使增益 受限。因此，如何实现对纳米半导体量子点形状、八寸一致性的有效控制，提 高其密度和空间分斫i 的有序性，仍是目前材料科学家匾待要解决的关键问题之 一。 经过多年努力，材料科学家发展了许多制备量了点的新方法，如上节所讲 到的应变自组装生长技术( s k ) 、半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制 备技术、气一液一固相生长( v l s ) 表面活性剂法等，但是仍然不够成熟。利用半 导体平面刻