（凝聚态物理专业论文）单个锗硅量子点性质的导电原子力显微镜的研究.pdf

中英文摘要 单个锗硅量子点性质的导电原子力显微镜研究 塑堡系竖星查塑理专业 学生姓名蓝韭指导老师扬堑蕴副麴援莶量筮塾攫 摘要 导电原子力显微镜( c a f m ) 是在原子力显微镜( a f m ) _ 1 2 发展出来的一种可用 于研究表面电学性质的技术，利用导电针尖同时测量单个半导体量子结构的形貌 和表面电导信息或电导分布。 本论文首次利用c a f m 研究了在s i ( 0 0 1 ) p 型衬底上自组织生长的锗硅量子点 的电流分布。由于锗硅量子点中锗和硅具有不同电导率，从电流信号的分布分析 可以得到锗硅组分在量子点内的分布信息。实验研究了两种生长温度分别是 5 5 0 。c 和6 4 0 。c 的量子点，发现这两种不同生长温度的量子点的电流分布有着显 著的差异。我们认为这是由在不同的生长温度下，缓冲层中的硅和量子点中的锗 的不同程度上的互混导致的。通过对实验结果的分析，得到穹隆结构的锗量子点 在较高的生长温度下，量子点内大部分的组成成分都是硅成分大于3 5 的硅锗合 金。而同样形状的在较低温度生长下的量子点大部分都是锗成分大于6 5 的锗。 对锗硅成分有选择性效果的腐蚀实验证实了上述结论。 我们还利用c a f m 对相同生长温度下，覆盖了不同厚度硅层的量子点的表面 电流分布进行了研究，通过对电流信号的分析得到了在量子环形成过程中锗硅组 分迁移和重新分布，在量子点到量子环的转变过程中，在覆盖层影响下的应变和 浓度梯度的变化所引起的强烈物质输运过程是量子环形貌形成的原因，其中普遍 存在着锗组分的偏析情况。 通过本文实验表明导电原子力显微技术是一个观察纳米范围内量子点电导 性质有力手段，从中可以得到量子点的其他信息，如组分分布等，不仅方便快捷 ，而且对样品没有任何损害。结果的分析还需要进一步的深入。 关键词：导电原予力显微镜；量子点；量子环：锗：硅。 分类号：0 4 7 2 + 1 ；0 4 7 1 4 ；0 4 7 2 + 4 中英文摘要 a b s t r a c t c o n d u c t i v ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( c a f m ) t e c h n i q u ei s d e v e l o p e df r o m a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a v v 0 i tm e a s u r e ss a m p l e st o p o g r a p h ya n ds u r f a c e c o n d u c t i v es i g n a l ss i m u l t a n e o u s l y w ee m p l o y e dc a f mt oi n v e s t i g a t et h ec u r r e n td i s t r i b u t i o ni ng eq u a n t u md o t s ( q d s ) g r o w nb ym o l e c u l a rb e a me p i t a x yo np - t y p es i ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e s i n c et h e d i f f e r e n tc o n d u c t i v i t yo ft h ec o m p o n e n t s ( g ea n ds i ) i nt h eg eq d sr e s u l t si n d i f f e r e n tc u r r e n t s i g n a l s ，w e a r ea b l et oo b t a i nt h e c o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o n i n f o r m a t i o nf r o mt h ec u r r e n ti m a g e s w eh a v ei n v e s t i g a t e dt w ot y p e so fs a m p l e s g r o w na t5 5 0 0 ca n d6 4 0 。c ，a n df o u n dt h ec o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o n so ft h e s et w o t y p e so fq d s w e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n t t h i sd i f f e r e n c ec a nb ee x p l a i n e dt ob ed u et o t h ed i f f e r e n td e g r e e so fs ia l l o y i n gi n t ot h eg eq d sa td i f f e r e n tg r o w t ht e m p e r a t u r e s o u rr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed o m e s h a p eq d sg r o w na th i g h e rt e m p e r a t u r ea r e s i g ea l l o y s 、v i ms ic o m p o s i t i o n 3 5 a tm o s tp a r to ft h eq d w h i l eq d sw i t ht h e s a m es h a p eg r o w na tl o w e rt e m p e r a t u r es h o wh i g hg ed i s t r i b u t i o n ( 6 5 ) i nt h e w h o l ed o t ，w h i c ha r es u p p o s e db yt h es e l e c t i v ee t c h i n ge x p e r i m e n t s f o l l o w i n gt h e s ep r e l i m i n a r yr e s u l t s ，c a f mw a se m p t yt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts ic a p p i n gl a y e rt h i c k n e s so nt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mq d st oq u a n t u mr i n g s ( q r s ) a th i g hg r o w t ht e m p e r a t u r e ，b ys ic a p p i n gs t r a i ni n d u c e da n ds ia n dg e s u r f a c ed i f f u s i o nr e s u l t e di ne l e m e n t a li n t e r m i x i n ga n dr e - p r o f i l i n g ，w h i c hc a u s e dt h e t r a n s f o r m a t i o nf r o mq d st oq r s a s y m m e t r i cg ep r o f i l i n gi nt h ed o t si su b i q u i t o u s o u rs t u d i e sr e v e a lt h a tc a f mn o to n l yc a nb eu s e dt os t u d yc a r r i e r sp r o f i l e ， d i s l o c a t i o n si ns e m i c o n d u c t o rf i l m s ，b u ta l s oi sap r o m i s i n gt e c h n i q u et os t u d yo t h e r p h y s i c a lp r o p e r t i e si nq u a n t u ms t r u c t u r e s ，s u c ha se l e m e n t a lp r o f i l e d i r e c ta n d l i t t l e h a r m k e y w o r d ：c o n d u c t i v ea t o m i c f o r c em i c r o s c o p y ( c a f m ) ；q u a n t u md o t ( q d ) ； q u a n t u mr i n g ( q r ) ；s i l i c o n ；g e r m a n i u m c l a s sn u m b e r ：0 4 7 2 + 1 ；0 4 7 1 4 ；0 4 7 2 + 4 第一章引言 第一章引言 1 1 研究锗硅自组织量子结构的意义 随着技术的进步和小型化的趋势，对于半导体器件的要求也随之提高，半导 体器件的尺度已经进入了纳米的量级，同时性能也得到了极大的提高。由于在量 子结构中尺度的小型化，载流子的运动在空间的三个方向上都受到限制，电子( 空 穴) 态呈类原子状的分裂能级，即量子化；又因为被限制在量子结构中的电子( 空 穴) 之间强烈的库仑相互作用，展现出许多与体材料截然不同现象和特有的性质， 如量子限制效应，共振遂穿，声子约束效应，二维电子气效应，在磁场作用下出 现的塞曼分裂等。正是这些新的光学与电学性质让人们看到了量子结构在电子， 光学，电子学，化学催化，磁记录等方面的潜在的广泛应用价值，从而推动了半 导体物理和器件的发展。随着人们对低维量子体系的理论研究的日趋成熟，绝大 部分的实验结果可以用理论模型解释，并通过理论模型来预测一些实验现象。许 多已经投入实际应用的量子结构器件在理论和实验的基础上研制发展而来。 用锗硅材料制作的族量子结构由于与现有的半导体工艺相兼容，因而具 有很重要的应用前景。随着硅基单电子晶体管在室温下运转的成功实现，锗硅量 子点成为实现硅基发光和光电集成提供了新的途径。自组织量子点与量子环就是 近来发现的很有价值的纳米结构。因此，对于它们的研究就引起了人们极大的兴 趣。采用自组织生长方法的锗硅量子点由于其形成的s t r a n s k i k r a s t a n o w ( s k ) 机 制，和光刻方法相比避免了引入的杂质缺陷和损伤，晶格结构更加完美。 现今的研究主要是集中在对其所表现的各项平均性质的研究，如对自组织量 子点的光电性质已经进行了很深入的研究：光致发光、电学性质、量子点相关器 件的研究等。但由于量子结构尺度很小，目前大部分的研究得到的是大量量子结 构的平均效应，由于量子结构的不均匀性，量子结构的量子效应会被削弱或观测 不到，另外也无法得到量子点性质的尺寸效应。因此研究单个量子结构的性质对 其基础研究及其应用探索都是非常重要的。虽然现在有一些技术可以被用来研究 单个量子结构的结构或性质，如包括扫描隧道显微镜( s t m ) 、高分辨率x 射线衍 射分析( h i g h r e s o l u t i o nx r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s ) 和透射电子显微技术( t e m ) 等。然 而，由于这些技术十分复杂并且对样品的要求非常高，这就给观察分析带来了不 便。近年来不断发展的扫描探针显微镜( s p m ) 提供了一个在纳米尺度研究量子结 构性质的手段，并且操作方便快捷，对样品损害微乎其微，它的一系列技术为研 究者提供了重要的研究手段，使得在纳米范围内对单个量子点的物理性质的研究 成为可能。 第一章引言 1 2 原子力显微技术及其扩展功能简介 8 0 年代早期，第一张用扫描隧道显微镜( s t m ) 测量的硅表面实空间图像震 惊了世界。今天s t m 已经广泛应用与各种学科研究，表面科学中常见的常规表面 粗糙度分析已广为人知。 1 9 8 6 年，b i n n i n g 等人紧接着s t m 发明了第二种扫描探针显微镜原子力 显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) 一种基于探测物体之间力的相互作用的 显微技术。a f m 与s t m 最大不同在于a f m 探测的不再是隧道电流，而是样品和 针尖之间微小作用力。因此a f m 的样品不受导电限制，几乎不需要处理，这是 a f m * 目比于s t m 最大优越性。2 0 多年来，a f m 越来越多的被应用于微米尤其是 纳米尺度的力分布图或样品表面的形貌研究，显示出强大的功能和优越方便的特 性：吸引了众多分析者注意，在功能上进行改良，应用领域越来越广。 在a f m 的基础上拓展出了扫描力显微镜( s f m ) 。扫描力显微探测的是针 尖一样品间的力，探测针尖样品间不同的相互作用力就能得到不同的力分布图。 由于s f m 探测的是相互作用力，应用的范围更广。无论是导体，半导体还是绝缘 体；无论样品表面是硬的还是软的，无论样品是单质或化合物，无论实验的环境 是真空还是液体，局限性非常小。这些作用力主要包括v a n d e r w a a l s 力，摩擦力 ，黏附力，静电力，磁力。根据作用力的不同性质，s f m 可分为原子力显微镜 a f m ，静电力显微镜e f m ，磁力显微镜m f m 等。 随着技术的发展和科学应用的需要，更多附加的新功能被不断拓展以用于获 取样品形貌以外更广泛的信息，本论文讨论的导电原子力显微镜( c o n d u c t i v e a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，c a f m ) 就是a f m 传统针尖掺杂或镀金属薄层形成的导 电针尖，通过微电流探测器可以得到样品表面微区电学性质，可应用于导电率， 接触电阻，载流子浓度，电性缺陷误差分析等方面。 1 3 本论文的主要内容及其安排 利用导电原子力显微镜并结合选择性化学腐蚀等实验对在s i ( 0 0 1 ) p 型衬底上 自组织生长的锗硅量子结构的形貌和横向组分分布进行研究，同时分析了不同温 度下，不同s i 覆盖层厚度下量子点向量子环转变过程中锗和硅的互混和锗的不均 匀偏析过程。 正文各章安排如下： 第二章导电扫描探针技术应用原理 第三章导电扫描探针技术在锗硅量子点组分互混研究中的应用 第四章导电扫描探针技术在锗硅量子环形成的观察 第二章导电原子力显微技术应用原理 第二章导电原子力显微技术应用原理 导电原子力显微镜( c a f m ) 是在原子力显微镜( a f m ) 基础上发展起来的一种 扫描探针技术，它的原理与a f m 相似，只是c a f m 采用的是导电针尖，并在针尖 和样品加上了电压，因此可以在得到表面形貌的同时，得到表面的电流或电导信 息。本章将首先介绍原予力显微镜然后在叙述导电原子力显微镜的原理、应用及 存在的问题。 2 1 原子力显微镜 原子力显微镜原子力显微镜用一个几个微米长，直径小于1 0 n m 的锋利针尖 来扫描样品表面获得图像。针尖被固定在长1 0 0 到2 0 0 u m 悬臂的自由端。针尖一样 品间作用力导致悬臂的弯曲偏转。当针尖与样品发生相对移动的时候，一个位置 灵敏探测器测量悬臂的偏转程度。样品或针尖的扫描由压电陶瓷的移动来实现。 所测量的悬臂偏转被用来产生表面形貌图。 2 1 1 原理 在a f m 成像过程中，悬臂针尖起探测样品表面起伏的作用。当针尖非常接 近表面时，针尖和表面间出现相互作用力，悬臂在作用力的作用下发生偏转，而 悬臂的偏转与针尖和样品间的作用力成正比，并遵守胡克定律： f = 一k z ( 2 1 ) 其中，z 是悬臂的偏转，k 是悬臂的弹性系数。当针尖样品间的作用力f 变化 时，z 也发生变化。通过光学偏转方法测量悬臂的偏转，可以得到的作用力f ，从 而得到针尖样品间的距离。当针尖在样品表面扫描时，形貌的起伏变化通过针 尖导致悬臂偏转的变化，由计算机系统把变化量转化为形貌图。 2 1 2 仪器 a f m 系统的原理如图2 1 所示。从激光器中发出的激光聚焦在悬臂上，其反 射光束用位置灵敏的光电探测器进行探测。测量到的信号通过反馈系统来控制悬 臂的移动。 悬臂和针尖是a f m 的关键部件。a f m 测量中为了能达到高分辨率和高灵敏 度，悬臂的选取很重要。一般情况下悬臂的弹性系数k 在1 0 - 21 0 2 n m 。并且，悬 臂的固有频率要足够高，在扫描过程中，扫描起伏的信号频率可能高达k h z 量极 ，因此为了能准确追随样品表面的轮廓变化，固有频率必须高于k h z 量极。同时 第二章导电原子力显微技术应用原理 具备力常数小和固有频率大，悬臂的尺寸在微米量级。在垂直和水平与样品表面 的方 图2 1a f m 系统的原理图 向上，悬臂的刚性有很大的差别。在实际操作中，针尖的球形顶端和样品表面接 触的时候，不可能是非常规则平整的。大多数情况下，针尖顶端很粗糙，其中最 突起的扮演针尖的角色。 悬臂与样品接触而受力形成的微小偏转是a f m 探测中至关重要的一环，现 在已经有多种不同的方法来探测，大部分使用的是光学技术。如图2 2 所示：从 半导体激光器中发出的准直光束聚焦在悬臂的背面，很多悬臂的背面涂上层高 反射率的涂层来加强反射信号，微调悬臂的位置使得探测的信号最大，提高灵敏 度，反射光照射到一个位置敏感光探测器上( p s p d ) 。悬臂的微小位移引起反 射激光束在p s p d 上的位移，引起了光电流的变化，p s p d 可以最小可以探测由位 置移动引起的1 0 h a 光电流变化，从悬臂至i j p s p d 的空间距离对与悬臂本身长度的 比率成为一个机械性质的放大器，使0 1 n m 以下的垂直位移能够探测到。p s p d 检 测的信号解析为： i n f = ( a + b ) - ( c 十d ) ( 2 2 ) i l f = ( a + c ) - ( b + d ) ( 2 3 ) ( 2 2 ) 式反映了悬臂垂直方向运动，( 2 3 ) 反映了悬臂水平方向的运动。其他探 测方法还有如电容法，光学干涉法，压敏电桥法等，还有采用压阻材料制成悬臂 ，将位移信号直接转变为电信号输出，将激光和p s p d 一并省去，操作更简单。 最常用的是光学偏转法。 第二章导电原子力显微技术应用原理 图2 2p s p d 探测图示 2 1 3a f m 的工作模式 很多种作用力都很引起a f m 悬臂的偏转，在探测形貌时分子间的v a nd e r w a a l s 力起决定作用，人们根据v a nd e rw a a l s 力与针尖样品间的距离制定了a f m 的成像模式。力与距离的关系曲线及a f m 成像模式见图2 3 。图中可见两个距离 区域：接触区和非接触区。在接触区，针尖和样品间的距离 6 5 锗的偏析，而s i 覆盖层 在此处属于失配情况，很难稳定在此处，所以当覆盖层较薄的时候，s i 只引起了 穹形量予点部分的形貌变化，这样一个阶段的存在说明了在较高温度之下的量子 点存在很普遍的锗组分偏析情况，这种情况用现存的理论无法解释。 c a f m 测试结果很清晰的表明在量子点到量子环的转变过程中，电流分布随 着形貌的变化也发生巨大的变化。图4 1 ( b ) 电流分布在上一章解释过了，主要 由于在高温下锗硅组分互混引起的点的电阻率变大，影响了电流的分布。同时锗 组分在边缘部分的偏析也是引起电流边缘比中心大的原因。图4 3 ( b ) 是典型的 金字塔形量子点，是s i 覆盖了一定的厚度下，组分重新分布形成较稳定的形貌， 原来顶部和内部的g e 原子在浓度梯度影响下扩散，从中心向外渐渐输运，使得 金字塔形的中心呈高锗组分分布。介于它们之间的状态如图4 2 ( b ) 所示，量子 点在形貌呈现金字塔形棱边的部分，电流分布也呈现和图4 3 ( b ) 一样的分布， 量子点在形貌还保持穹形量子点的部分，电流分布仍然保持和图4 1 ( b ) 一样的 分布，形貌和组分分布一一对应，两种形貌和电流分布同时存在一个点中。当覆 盖层更厚，使得s i 和g e 互混更严重，越来越大的浓度梯度和应变能梯度使越来越 多的g e 从中心部分迁移出去，形成如图4 4 ( a ) 所示的量子环结构。 我们首次使用c a f m 对量子环结构进行观察，测试结果表明如图4 4 ( b ) 所 示，我们认为量子点中g e s i 组分在覆盖层的作用下的重新迁移和互混，但由于没 有影响结构下面的界面层，对肖特基势垒高度的影响不大，最后电流分布的对比 度主要是由锗组分在环中形成高组分的积聚，量子环的中心已经被挖空，没有高 组分锗的存在，因此在电流图显示为低电流区域。 第四章导电扫描探针技术研究锗硅量子环形成过程 4 4 小结 我们使用c a f m 对量子环的形成过程进行观察。结果显示，在量子点到量子 环的转变过程中，在覆盖层影响下的应变和浓度梯度的变化所引起了强烈的物质 输运过程是量子环形成的原因。从电流分布中可以发现，在量子点到量子环的转 变过程中，量子点或量子环中普遍存在着锗组分的偏析情况。 第四章导电扫描探针技术研究锗硅量子环形成过程 参考文献 1 】1 j m g a r c i a i n t e r m i x i n ga n ds h a p ec h a n g e sd u r i n gt h ef o r m a t i o no fl n a s s e l f - a s s e m b l e dq u a n t u md o t s j 】a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，1 9 9 7 ，7 1 ：2 0 1 4 2 0 1 6 2 】t r a z ，d r i t t e r ，a n dg b a h i r f o r m a t i o no fi n a ss e l f - a s s e m b l e dq u a n t u mr i n g so n i i l p 【j 。a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，2 0 0 3 ，8 2 ：1 7 0 6 1 7 0 8 【3 j c u i s e l f - a s s e m b l e ds i g eq u a n t u mt i n g sg r o w no ns i ( 0 0 1 ) b ym o l e c u l a rb e a m e p i t a x y j a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，2 0 0 3 ，8 3 ：2 9 0 7 - 2 9 0 9 【4 崔健锗硅量子环生长机制的研究【d 】上海：复旦大学，2 0 0 4 钾 发表文章 发表文章： s t u d y i n gt h el a t e r a lc o m p o s i t i o ni ng eq u a n t u md o t so ns i ( 0 0 1 ) b y c o n d u c t i v e a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y e x u e ，j q m ，j c u t ，y l f a n ，z m j i a n ga n d x j y a n g s u r f s c i ，i nr e v i s i o n p h o s p h o r u s - m e d i a t e dg r o w t ho f g eq u a n t u md o t so ns i ( 0 0 1 ) j q i n ，f x u e ，y w a n g ，l h b a i ，x j y a n g ，l h f a n ，a n dz m j i a n g j c r y s o r o w ，2 7 8 ，13 6 ( 2 0 0 5 ) a ni n v e s t i g a t i o no f p h o s p h o r u ss