（凝聚态物理专业论文）用导纳谱研究锗硅量子点的耦合效应.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 作者签名，孤j 遮一日；吩一旦最鱼一 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文卉勺规定，n ：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被套阅和借闽；学校可以公布论：定的全郭或部分内 容，町以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：匣! 壁垒 导师签名：，垦一睦日期：上么尘丝 复垦大学硬士论文 摘要 1 用导纳谱的方法研究了c k s i 双层量子点的耦合效应对库仑荷电作用的影响。 由于双层量予点间的耦合效应和间隔屡厚度有关，所以我们对三块不同间隔 蒺淳度豹稃菇进行导缡谱溺试。透过改变不同静反秘编压，可i 盖褥到量子点 中的能级分布；对得到的能级进行分析，找出耦合效应对库仑荷电作用的影 嗽：随蔫间隔层厚度减小，耦台效应的增强使得量子点中的空嘲限制效应减 弱，表现在疼仑荷电能静减小。 2 通过对导纳谱测试多频秘帮频两静处理方法麓结莱遴行眈较，分析各自豹优 缺点，并找出两者产生差别的原因主要是来自于肖特基势垒或是缺陷、杂质 镶漏电流产生煦附加电导。针对性这种情况，菝们绘出掘除附加电导影响的 方法，使襻单频帮多频酌处理结果一致，并通过理论模拟加以证翳。 关键诵：双层鳖予点，禚合效应，库仑葡激效应，导绒落 复县火学应用表面物理国家重点实验塞 复墨大学鞭士论文 a b s t r a c t t h ei i l f l u e n c eo ft 1 1 ec o u p l i n ge f f e c tb c t 、w e nd o u b l e - 1 a y e rg eq d sh a sb e e n s t u d i e db ya d m i 搬m c es p e c 拄o s c o p y ，t l l r e es a 棚p l e sw i 也d i 壤：r e n t 也i c k n e s so ft h e 辨a c ei a y e ra r 。i n v e s t 遥采e ds i n c e 也ec o u p i i n ge 蠡c ts 捃o n g 匆d e p e n d so n 也e t h i c k n e s s b yv a r y i n gt h eb j a sv 0 1 t a g e ，t h ea c t i v a t i o ne n e 氇i e so fm od i s c r e t e e n e 璐y 】e v e l s 粼o b t 越n e d w i 墩d e c r e a s i n g 墩e 也i c k n e s so ft h es p a c el a y e r ，妊 c o u p l i n ge 虢c tb e c o m e ss t r o n g e ra n d 斑ee o u 舳西g h a r g i 珏ge n e r g yb e c o m e s s m a l l e r ，、 抽c hm e a n sad e c r e a s ei ns p a t i a lc o 曲n e m e n t 眦i b u t e dt 0c o u p l i n g o f 奄c t ， 2 b yc o m p a r i n 鐾 t h ea c t i v a t i o n e n e 曙i e s o b t a i n e df r o mt h e m u l t i m f r o q u e n c y a d 联l i 柱a n c es p e e t r o s e o f 黟a n ds 沁g l e 蠹e q t l e n e ya d m i 鼓a n e es p e c t r 。s e o p y j 、 犯蠡n d t h e r ea r e 越蠢b r e n c eb e 细嘴e n 趣e m i 、h er e a s o ni st h a t 钠ec o 珏d u c t a n c ea c q u i 瑶d f r o mt h ee x p e r i m e n ti sn o to n l ym ec o n d u c t a n c eo ft h eq u a n f u md o tb u ta l s ot h e o o n d u e t a n c ec 箍u s e db ys c h 0 髓k yb 硎e ra n dt r a p se t c i no 砖e rt oo b t a 至nam o r e a c c u f a t ea c t i v a 娃o ne n e r g y ，w 嚣g i v eam e t h o dt oe l i m i n a t et b ei n 盘u e n c eo ft b e a c c e s s i o n a lc o n d u c t a i l c ea 1 1 dt c s t i 匆i t sf e a s i b i l i t yb yt h e o r ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ： d o u b l e l a y e rq d s ， c o u p l i n ge 仃e c t ， c o u l o m be 虢c t ，a d m m a n c e s p e 娃m s c o p y 复嘎大学应用表面物蠼国家重点实验室 2 复鼠大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究锗硅双层量子点结构的意义 自从1 9 7 0 年江琦和朱兆祥提出半导体超晶格 1 的概念以来，这一领域的研 究已经取得惊人的进展。这种完全由人工制备的新材料具有天然晶体材料所没有 的缀多性质，从而开辟了超晶格物理这新的研究领域。随着生长工艺的圉盏完 善，各种低维材料蛊妥量子阱、量子线、量子点以及量子环得到了越来越多的关注。 人们在其中也发现了很多新的现象，如量子限制效应、共振隧穿、超晶格微带输 运、声子约束效应、二维电子气效应等等，对这一领域的研究一直被赋予极大的 热情。 在当代规模巨大的半导体产业中，硅已经成为大规模和超大规模集成电路的 基础材料，所以研究锗硅半导体低维量子结构具有重要的意义。由于锗硅异质材 料具有较大的晶格失配率，早勰半导体低维材料豹研究主要是集中在 g a a s a l g a a s f 2 。4 这种嶷格匹配较好的材料 二，但是1 1 1 v 族等化合物半导体材料 不能和业已成熟的硅基大规模集成电路技术相匹配。在这一点上硅锗无疑有天然 的优势。b e a n ，w a n g 等先后在s i 衬底上外延生长出了结晶完美、电学性质和光 学性质良好的锗硅异质结、量子阱及超晶格材料。尤其是近几年，锗硅分子束外 延生长技术逐渐成熟，已经可以生长出结构完整的锗硅异质结构材料，研究锗硅 体系低维结构特性正在迅速发展，同时基于锗硅低维结构的各种光电器件也应运 而生，如锗硅异质结双极型晶体管【5 】、锗硅调制掺杂场效应管f 6 、锗硅多量子 阱红外探测器 7 】、基于锗硅量子点的硅基单电子晶体管 8 9 】等等。 近年来，半导体量子点的研究成为凝聚态物理领域的热点之一。由于在量子 点中，载流予在空间三个方向上的运动都受到限制，其物理特性出现很多新的特 点：电子( 空穴) 态呈类原子的分裂能级，电子( 空穴) 之间的库仑相互作用很 强，足以影响量子点的能级结构，以及在磁场作用下出现塞曼分裂等特性，使得 开发新一代的高性能的单电子器件、激光器和各种光电子器件成为可熊 1 0 ，1 1 。 随羞硅基单电子晶体管在室派下运转的成功实现，锗硅量子点为实现硅基发光和 光电集成提了新的途径。 复旦大学皮用衰新物理国家重点实验室 复量大学壤士论文 另一方面，一般生长的单层量子点在大小和尺寸上都会存在1 0 左右的不均 匀性【1 2 】，这群不均匀性在磅究量子点的激发态谱和熊爨驰豫的过稷中造成一定 的滩度，而且在实际应爝中也需要得到尺寸分布更集中的量子点。荦朦量子点的 另外一个缺点怒由于成核位爨的随机性导致量子点空间分布的无序性。解决这种 润题最露胃的方法裁是将量子点生长为多屡结稳，量予点层之间成树底材料隧 开。如果闻隔鼷豹厚度选择舍适的话，程多层结构重复一定数强后，岛的尺寸和 空间分布的均匀性都会得到鼹著提高。多层量子点结构最显著的特征是：当间隔 鼷匏厚度不是姆嬲辱靛时候，薅杰生长方海上垂壹撵残，澎成岛列【1 3 】。这静萋 宜方向上的耦合在多种材料体系中已缀被观察到，包括i n a s z g a a s ( 0 0 1 ) 和 g e s i ( 0 0 1 ) 等。 基藤对多矮量子点懿磷究主要集中在翔俺控裁生长条 譬窑点期长出结镌更完 备的样品以及滕与层之间的相互作用如何影响量子点本身的性质。m k z u n d e l 1 4 等人对不同间隔层厚度( 2 1 6 m ) 的i n p 掇予点的光融发光谱( p l 谱) 研究表 鞠鲞多层量子点瓣阕夔屡蓐瘦缓枣对，上黉一层熬量子点由予应力黪 乍周会壹攘 在下面一层量予点的位置成核，得到的爨予点尺寸也辍为均匀，这一点可以由 p l 谱的线宽随间隔层厚度的减小逐渐变窄得到说明。另一方面由p l 谱峰位的改 交馋髑也褥出瓣羞裁隔层器疫懿减小，溪篡量子点之润夔藕合佟惩会变强。 r p m v 0 0 s t f l 5 1 等人通过对不同间隔层厚度的i n p 样品的磁性光致发光谱 ( m a g n e t o p h o t o l u m i n e s c e n c 。) 研究也得出类似的结论：量子点层问的耦合作用 戆闯隔层潭度瓣藏枣瑟增大，嚣时毽导致了空竭臻铡羧艇熬减弱。缀多研究零表 明在多层量子点中耦合效应趣了很大的作用，对量子点的电学【1 6 、光学特性以 及自旋偏振等都会产生影响。 对双层量予点戆磅竞在疲溪上逸毒缀大熬徐篷。邋过对多层量子点闺藕合效 应的控制可以为能带工程的簇础研究和威用提供很大的发展潜力。第一个基于 i n p 层叠量子点的注入式激光器已经问世 1 7 】。生长多层量子点结构不仅对提高 羹予点豹均匀戆寿帮助，瑟虽在蓑鳖器 孛应蔫中( 蟊g e 量子点搽溺器) 遣需甏 多层结构来增加单位体积内的量子点的数目。由此可见，对量子点多层结构的研 究不仅有助于理解应变外延生长的物理机制，也对实际的电子学和光予学器件的 臻究其有重大疲建徐整。稳对量子瓣激光嚣来说，擎豢燕子点激光器的波导中只 复日大学应用裹谢物理国家重点实验室 复壁走学硬，i 论文 包含了一小部分的活性材料，这个问题也可以通过使用多层量子点编构引入更多 的活性材料来解决，在提高激光器单色饿的同时提高激光器的效率。 1 2 半导体量予点材料的应用前景 理论分析表明，基于三维受限量子点的分离态密度函数的量子器件，以其独 特鲍优异奄学、光学往霞和缀低功耗，在缡米毫子学、毙毫子学鞫瀑予诗算等领 域有着极其广泛的应用前景。 1 2 i 量子点级矫探测器 基于带间跃迁机制制成的半导体红外探测器，主翳是依靠俄歇复合机制来工 j f 乍，需要冷却到低予室湿，因蕊其应用受到限制 1 8 。飘此人们开始礤究在量子 限制结构中基予予带内跃迁的半导体器 串。量子点红外探测器与传统的量子簖探 测器相比有着明显的优点：燃子阱红外探测器由于选择定则的限制，对正入射光 照不敏感 1 9 ；丽对于量子点红外探测嚣，由于量子点中局域态的存在，使德带蠹 跃迂能被正入射光照诱发。丽且量予点中出于声予散射的减少 2 0 ，光激载流予 在弛豫到基态前形成光电流，从而提高了探测效率。由于声子瓶颈效应 2 1 ，量 子点激发态中戴滚子寿命魄延长也有利于改善探测器性能，加强量子效应，有黧 捷高器件的工作温度。 i 2 2 量子点激光器 量子点中电子和空穴的强限制作用可用来提高半露体激光器的性能。态密瘦 的尖锐化，会傥增益谱变窄，注入载流予对增益的贡献变大，而且由于体积效应， 馁实现反转分蠢( 受激发射大予受激吸收麴状态) 魇鬣豹载流子数黧显著减少， 潮此可大幅度改善激光器的阅值电流特性。此外，闽缎电流的温成特性也可得到 明鼹的改善 2 2 。对2um 的i n g a a s g a a s 量子点激光器的研究表明，其阈值电 滚可降到2 6 8 塾a 2 3 。对蕊遮光逶菇来说，激光器静澜到带宽移落线宽度等动态 特性非常重要，描述两者的霪要指标分别是弛豫谐搋频率，t 和线宽增长因予 a 。量子点结构对电子的限制作用，使得微分增益大幅度提高，导致，t 大幅度提 蠢，放露改善调铡豢宽特瞧；露电子2 量麴燕子纯霹减小线宽增长困予，壤小激光 复n 火学应用表弼物理国家重点实验窒 复垦大学坝： 论文 器的线宽。自组织技术能够生长出高密度、高自发发射效率的量子点，因此越来 越吸引人们对量子点激光器的研究。 1 2 3 单电子晶体管 在当代的半导体产业中，为了继续提高单位尺寸集成电路的性能，大量采用 量子器件已成为大势所趋。基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电 子器件由于具有小尺寸、低损耗的特点，而日益受到人们关注。 单电子晶体管的工作原理是根据库仑阻塞效应，服从量子点的充电能( u ) 远 大于量子化分立能级的能量差( ) 。它要满足的工作条件是：u ( e 2 2c ”) t ， 其中c 是势垒和栅极电容之和。要使单电子晶体管在室温工作，c 应在1 0 “8f 以 下，这就要求量子点的尺寸足够小( 对硅材料5 n m ) ，单电子晶体管隧穿势垒的 隧穿电阻足够大( r h e 2 2 6 k q ) ，保证电子能在量子点巴停留足够长时间， 以阻塞下一个电子的通过。 1 2 4 其他应用 此外量子点可以应用到许多其它的领域，例如用量子点来制作单电子存储 器，可以大大提高存储密度。量子点网络自动机设想由量子点组合单元来实现 数字逻辑功能运算，可以获得更高的集成度和更低的功耗。同时量子点在量子点 计算机等领域也在发挥其特有的功效。 1 3 本论文的主要内容 本文主要是利用电容一电压( c v ) 法和导纳谱对双层量子点样品的能级结构 和层间相互作用进行分析。通过对不同间隔层厚度的样品进行测量，比较层间的 耦合效应对层内的库仑荷电效应和量子限制效应的影响。结果表明当间隔层很薄 时，层间的耦合效应很强，这时耦合效应对库仑荷电效应的影响也非常显著，库 仑荷电能远小于相同尺寸的单层量子点。当间隔层逐渐增厚，耦合效应减弱，对 库仑荷电效应的影响也在减弱，库仑荷电能逐渐增大。当间隔层的厚度超过7 5 n m 时，耦合效应变得非常弱，对库仑荷电效应的影响也可以忽略。这说明双层量子 点层间的祸合效应会影响到每层量子点中的空间限制效应。 复口大学应用表面物理国家重点实验室 复旦大学硕士论文 同时本文也研究了漏电流对导纳谱测量的影响。通过对导纳谱测试单频和多 频处理结果的比较分析，总结出两者产生差别的原因在于肖特基漏电流等产生的 附加电导的影响，并提出修正方法，扣除附加电导的影响，可以得出更为准确的 能级结构。 参考文献： 1 】le s a k ia 1 1 dr t s u ，m mr e s e a r c h n o t er c 一2 4 1 8 ( 1 9 6 9 ) 2 】c h oa y ：a p p l p h y s l e n ，1 9 ，4 6 7 ( 1 9 7 1 ) f 3 r d i n g l e ，i ls t o i i 工l e r ，a c g o s s a r da i l dww i e g r n a n n ，a p p l p 1 1 y s l e t t 3 3 ，6 6 5 ( 1 9 7 8 ) 4 j 丁m i m u r a ，s h i y a m i z u ，tf 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 f 1 9 8 0 、 5 glp a _ t o n ，j h c o m f o o n ，b s m e y e r s o n ，e fc r a b b e ，gj s c j l l a ，e f r e s a n ， j m c s t r k ，j yc s u n ，d lh a r 锄ea n dj n b u r 曲a r t z ，i e e ee l e c t r o n d e v i c el e t t e r s ，1 1 ，1 7 1 ( 1 9 9 0 ) 6 e m u r a k 啪i ，kn a k a g a w a ，a ，n i s h i d aa i l dm m i y a o ，i e e ee 1 e c t r o nd e v i c e l e t t e r s ，】2 ，7 1 ( 1 9 9 1 ) 7 js p a r k ，r pg k a r u j l a s 黼a n dk l w a n a p p l p h y s l e t t 6 0 ，1 0 3 ( 1 9 9 2 ) 8 k m o ，i e e en “e 1 e c t d e v m e e t i n gi ni e e ei m e m a t i o n a le l e c 订o nd e v i c e s m e e t i n 5 4 1 ( i e e e ，n e wy o r k ，1 9 9 3 ) 9 y 儆a h a s h i ，e 1 e c t r o n l e t t 3 1 ，1 3 6 ( 1 9 9 7 ) 【1 0 卢嘉，m t i r d 出眦，物理，2 7 ，1 3 7 ( 1 9 9 8 ) 1 1 夏建白，物理，2 7 ，1 4 1 ( 1 9 9 8 ) 1 2 d l e o n 盯d ，k p o n d ，a l l dp m p e 订。垃p h y s r e v b5 0 ，11 6 8 7 ( 1 9 9 4 ) 1 3 h u a n gcj ，e ta 1 jc r y s tg r o 谢h ，2 2 3 ，9 9 ( 2 0 0 1 ) 【1 4 m k z u n d e l ，p s p e c h t ，a n dk ，e b e r te ta 1 ，a p p l p h y s l e t t 7 1 ，2 9 7 2 ( 1 9 9 7 ) 15 】r p r o v 0 0 s t ，m h a y n e ，a 1 1 dv v m o s h c h a l k o ve t 融，a p p l p h y s l e t t 7 5 ，7 9 9 ( 1 9 9 9 ) 复日大学应用表面物理圈家重点实验室 7 复基炎学镰士论文 【1 6 】r j l u y k e a ，l o r k e ，m ， 王a s l i n g e r ，b t m i l l e r ，m 。f r i c k e r ，j p k o t t h 黜，g 辫露e 妇o s r i b 销i r 蹬，p + m 。p 拣筑p 坶s 嚣7 激，2 ( 1 9 9 8 1 7 】m k z u n d e l ，n 。y j i n p 艇u i p p ，f p h i l l 榔，k e b e r l ，丐r i e d i ，e - f e 函a c h e r ， a n da h a n g l e i t e r a p p l p h y s l e t t 7 3 ，1 7 8 4 ( 1 9 9 8 ) 阑豫i l 羲p sj ，装燃叠t hk ，愁o ux ，e 毫菇，张渤l 啪 鞋e s c e 琏c e 鞠基融_ i n 蠹a r 越 a b s o r p t i o ni ns i d o p e ds e i f o r g a n i z c dm a sq u a l l t l h nd o t s p 】a p p l p h y s l e t t ， 2 0 7 9 ，7 l ( 1 9 9 7 ) 【 锈、v 豳嚣a ，匕a 摄y 嚣0g ，涮i e 歉f 薹。s 拄蛰鹋潮整 黼i d 鼢e 遮蠹a 瓣硅鑫b s o r 簿。建 i ns 。l f o r g a n i z e di 瞳“址a l a sq u a n t u md o t 8g r o w n0 nh 灌( 0 0 1 ) 弘】a p p l p h y s l e t t 4 1 3 ，7 4 ( 1 9 9 9 ) 瞄镯v u 塔酸m 8 雏| ，己锄e 镪惑j 。c 器嚣i 嚣蛙猃粒鑫l i z 鑫i o n 赫s 曲- t 豫e e _ 娃溉懿羹。珏窿 e l e 。t r o n i cs y s t e m s ：f 1 1 n d a m e n t a il i m “so nm o d u l a t i o nb a n d 晰d t hi ns e m i c o n d u c t o r l a s e r s 口】p h y s r e v b 1 4 3 0 9 ，5 0 ( 1 9 9 4 ) 2 1 1b o 。沁l 擞袅赫u ，b 8 s t a 砖g 。豫滩os 。越t o i n 辇秘疰e n e f g y 糟l a x 旋o n 赫t w o 一霉一， z e r o d 打n e n s i 0 1 1e l e c t r o ng a s e s 骖】p h y s r 删b ，8 9 4 7 ，4 2 ( 1 9 9 0 ) 【2 2 】a s 如m ，m i y a m o t 0y ，s u c m a t s uy 。g 蕊n 姐d 呶et h r e s h o l d 。ft h r e e * d i | ￥l e n s i o z 豫l u 矗羲莰l 璐一b 。xl 魏s e r s 【j 】 e 塞毯j q u 8 确毪n 嚣i e o 蛙。珏。1 9 1 5 ，q 嚣一2 2 ( 1 9 8 6 ) 【2 3 jz o uz ，h u 趣叔e rd l ，c s u t 矗ks ，融a 1 a p p l 。p h y s l e t t ，2 2 ，7 5 ( 1 9 9 9 ) 复畦大学随用表蕊物理曩家重点实验童 8 复燕天学顿谵文 第二章测试系统和实验装覆 2 1 电学测试方法简介 在半导体低维蠢子绻榴瓣纂礁物理秘实陈应鼹的磷究中，电学特性的研究在 英质量表征、能级缩褐和量子隈铺效应酌验证以及新型器件韵设计等方霭都发挥 着十分重要的作用。其原理是：出于量子点对载流子的策缚作用，使褥其呈现出 强熬豹量子效应，强量子能缀、库仑效应警。姿量子熹缝梅受终场或滠度变伲静 影响对，其内郝空阈电荷的分布也会相应热发生变纯，这些交化可以在其外电路 的可测量量，如电容、电导等电学参量上袭征出来。根据这些电学参孱随外场或 瀛度粒变纯关系，可以褥型羧漉子浓疫、爨予阪铡l 级翔憩豢缡移等羹要参量e 比较常用的电学测试方法有电容电压法( c v ) 、导纳谱( a d m i t t a n c e s p o c t r o s c o p y ) 和深能级瞬卷潜( d h s ) 等，在本论文中采用的方法主要是前两 耱，所强着重对这两耱方法遴露奔甓。 2 1 1 媳容电压法( e v ) 电容，电压o 玢法啜拐是焉来测爨傣糖瓣中载浚予缀自分布瓣方法 j 。其 理论依据是一雅泊松方程 d 2 矿( z )p ( z ) 走2 蕺 式中z 是材料瀚，圭氏方向，也是外场的方肉，是材料瓣相对介电常数，。筵真 空介电常数，p ( z ) 是空间电葡密度的纵向分布。 鑫予在半导谑低维爨子镰撬孛空阗窀褥醵分毒谤擞比较复杂，搿汉壤难 ! 孽戮 此方程的解析解。由于量予点和量子阱对藏流子的限制散应，使得其中积累了大 量的裁流子，表现在c v 曲线上有一个很明显的平台，因而c v 常常只用来表 ，疰低维结携熬羧裁效应，缀灌飘中褥蜀有关龋筏麴准确溺愚。1 9 8 0 年藏， ：羚e m 钟 等人【2 】提出可以溺数整法求解上述泊松方程，并遴过辩c v 曲线瀚数值模拟柬 确定载流子的浓度分布、能带偏移、界面魄穑密度等整骚参量。随焉数值模拟懿 c v 洼蔽塞溺予确定器耱 疆w 羧移g e 鬟拳蛩体窝怒爵格蕊爱蒂镳移秘赛面态等 复阻大学应用表面物理国家重点实验糍 9 复馥大拳碟士趋文 参数【3 4 。由于数值模拟涉及到诸多参量的调节，由此得到的各种移最的数值并 不十分可靠。1 9 9 6 年，王建塞等人 5 】授搬量子阱能带绫购翻e w 糖线的特点， 较巧妙的求解濑松方程得到了量子| l | 丰e * v 关系的分敬解析表达式，并可根据解 析式直接计算出量子阱中载流子的浓度和能带偏移等鼹要参数，这使得人们对量 子洪鲍c v 将瞧有了更清鼹睡粒认识，也傻褥运鼹c - v 法确定量子暌瓣能带结秘 焚得更为准确可靠。 c - v 法能够直观的表征燃子系统的限制效应，测试也十分简便，所以是定性 鲍验涯半导体续稳懿首选手段。在本文中烹要用c v 法来确谈榉舷镌生长结毒每， 表征s i 中的g o 量子点的登予限制效应，定性研究量子点中的载流予空间分布， 并为导纳谱的测试提供必要的实验参数。 2 1 2 导纳谱( a d m i t t 锄c es p e c t r o s c o p y ) 导纳谱最初是用于研究肖特基势垒空间电荷区和p n 结内的深能级缺陷的 【翻。盎于不同潺度、不强频率下棒品懿瞧导篷会发生变凭，这样，在菜一固定 频率下扫描溢泼，当温度变化使得缺陷能级中载流子发射率与外加测y 蓬：频率相一 致时，结构电黟出现峰值。根据在不同的频率下测量电导随温度变化的曲线即可 求雩霉嫒礁中能级懿位菱。 1 9 8 7 年，d vl a n g 等人【7 将此方法移植到半导体超晶格的能带偏移的测爨 中，成功地观测到了由阱中载流子发射引起的电导峰。随后，x l o t a r t r ef 8 1 和 k n a 渡a 【甥等人暖礁提出了怒磊格霸量予| l 斡等效邀赣貘鍪。 陆防、张胜坤等又成功的将导纳谱方法引入到量予点的研究中【1 0 ，同时， 他们也对导纳谱进行了一些改进，如单频导纳谱 1 1 】、颁率扫描导纳谱 1 2 、光 导绫谱【1 3 】等。爱努蘧翻又以燕子鬻子煞级羔簸流子瓣受激发射为藜蚕盔，挺密了 不同的分析和计算模型f 1 4 】，成功的解释了用等效电路模型无法解释的实验结 果。从导纳谱确定的量子点的能级结构中还能直接得到库仑相互作用能。对掩埋 予s i 孛浆g e 爨子点馋交镳压蕊导缡谱测试，可| 薹鼹察至l 缀强夔导缡信号，并擒 示了g e 量子点中的分立能级和库仑荷电效应，还能估算出各能级的俘获截面。 因此，导纳谱已经成为研究爨子点中量子限制效应的肖效手段。 炭旦大学应用表戚物理昏家重点实验室1 0 复羹大学颈诧文 2 2 测试原璞 2 ；2 1e v 测试蘸瑾 在测试过穰中，样品的势垒区可以崴观地看作一个平行板电容器。在样品上 加上赢流反向偏嚣电压，样品的势垒宽度w 会随着直流反向偏压的增大而向半导 体内帮扩疑。魏祭在壹滚镶缀上叠热一令，l 、豹交浚信号，这时势垒宽度迄会稳应 的黢生微小的焚化，使得其中的载流子在交流信号的作用下流进流出，类似平行 扳电容器的充放电。所测的电容即微分电容为：c = d q d v 。在电压变化为d v 时， 势垒区躯毫瑟窝纯为q 矗( n n 一獠) d 嚣，嚣戬毫容煎可菇表示为：活熊。( 并) d 影d v 。 利用c v 可以比较直观士呶表征低维量子系统的量子限制效应。在低维量子系 统中，在量子区域内限制了大量的载流子，当外加电压使肖特基势惫扩展到量子 嚣渡瓣近薅，交交亳压霉| 越瓣电萄交纯圭爨来叁量子区壤隈裁懿载浚子，由于其 中的载流子浓腹比较大，所以在一定的电压变化范围内电容值变化很小，c v 曲 线上会出现一个比较明显的电容平台。通过对c v 曲线的分析同样可以得到关于 载流孑分布豹信惑。穰蕊毽= e u 哥戳雩葶鲻量子区蠛黪藏滚子鼗蟊，壤据翦垂i 稳 到的式子也可以得到载流子的浓度分布： 啾啥南 瞄蛩 从得到的c v 曲线和相应的裁流子浓度分布曲线可以定性的分析裁流子的运动 慧况。 2 2 2 量子点昏纳谱测试原理 以硅基键爨予点为镶。 对于硅锗墩子点来说，它们的能带偏移主要发生在价带边。图2 1 给出了本 文所研究的样品的结构及其价带结构的示意图( 虽然样器为双层量子点，但价带 缭稳臣单篡量予点为鲷) 。群晶是双层萋予点缝穆，爨予量子疆翻效应，量予煮 层中会积累有大量的空穴。实验时在样品的背面蒸铝形成欧姆接触，正面蒸铝形 成肖特基接触。在外加交流小信号的作用下，样品的能带弯曲j 。生变化，从而引 起麓予点中载溅予静发囊孝秘俘获，在测璧过程中表毯为电导 壹豹交纯。由予量子 篑照大学应用表面物理国家重点实骏室 复鞋大学壤诧文 点中载流子的发射和俘获的几率与其对应的能级和温威有关，测量撼个过程的电 导隧滠度数变化姆蛙就可隧获褥载滚子敬量信息。 量子点中菜一能级上载流子数茸的瓣悫变化可以袭示为： 鲁一8 ，雎。+ c 。一。) q 1 2 式中n d o ! 和n d 。分别代表量予点中的量子态数目和空穴数目，e 。是空穴发射率， c 。是空穴的俘获率，可以表示为 e = 讲凇 ( ) ，故g h 一0 ，c 一= b + c o 。因此在 g u t 曲线上会出现峰值，在峰值两边电导逐渐减小，在两端趋于零，而在c t 曲线上出现一个台阶，如图3 4 所示。根据式( 2 1 1 ) 可知，测试频率。越高， 出现峰值所对应的发射率e 。也就越大，峰值温度也就越高，所以随着测试频率 的增大，电导的峰位向高温端移动。温度扫描的区间大约为1 2 0 一2 4 0 k 。通过改 变外加偏压，可以移动量子点层中的费米能级位置，从而可以得到量子点中的不 复咀大学应用表面物理国家重点实验室 复旦大学硕士论文 t 图3 4 样品a 在o v 时测得的导纳谱曲线，( a ) p t ，( b ) g 肠一t 同能级位置。实验过程中偏压范围取o 一2 1 v ，每蕊0 3 v 测一次导纳谱曲线。 不同偏压下电导随温度的变化越线在图3 5 中给出。增大反向偏压，费米能级崮 量子点中较浅的能级向较深的能级移动，逐渐由激发态探测到基态能级。对应的 激活能在逐渐增大，由式( 2 1 1 ) 可知，对同一频率来说，由于反向偏压增大， 激活能增大，对应的峰值温度也要升高。理论上分析表明在低温端和高温端电导 值都应该逐渐趋于零，但是从图3 5 中可以发现，在高温端电导又迅速上升，这 主要是出于肖特及势垒的漏电流睫温度的上升而增加的缘故，嗣时漏电流也随着 反向偏压的增大而增大。 复q 大学应用表颤物理国家重点实验室 一 o 一 毒 。 一 逞 。 复旦大学硕士诜文 t ( 峋 t 毡 毒 c 一 遵 o c 邑 毒 t ( 岣 t t ( 岣 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 一 童 。 复燕天擎醭圭趋文 卜 n 3 仁 t e 一 毒 t 码 翻3 5 样晶a 巍不强镛篷下瞧蛩疆漫度秘交纯趋鼗 1 趣b t ( “4 ) 图3 ，6 样感a 在不同偏压下德到的l n b 2 疋2 ) l k t m 直线关系圈。 复嘎犬举应用表颤物理龋家重点实验室 美旦大学瓠弼士论文 u v ) 图3 7 样品a 的激活能和反向偏压的关系 0 ，3 - o 6国9一i 2一 ，s* l ，82 ，l l 偏压( v ) o 激活能( g v ) 0 2 0 7o 2 1 3o 2 1 9o 2 1 9n 2 2 80 2 3 5 o 2 3 6 o 2 5 7 | 俘获截阿 4 9 37 0 47 2 15 5 07 9 37 4 35 3 91 0 r 8 2 i ( 6 c m 2 ) 表3 1 样品a 救激活挠鄱俘获截面与偏艨的关系 由不同偏压下的电导谗得到的l n b 2 r2 ) l k t m 羹线关系如图3 6 所示。 由这些| 藿线麓辩率爵良褥弼不嚣偏压下的激活女冤嚣3 7 帮表3 1 中。 显而易见，样品a 的激活能隧偏压的变化呈现分立饿，分别为2 0 7 ( e a l ) 、2 1 3 e a 2 ) 、2 1 9 ( e a 3 ) 、2 2 8 ( e a 4 ) 、2 3 5 ( e a 5 ) 和2 5 7 ( e 曲m e v 。这6 个分立的能级值 可以反映如量子点中豹分立能级缕橡和摩仑荷瞧效应。当外热爱向偏压 主 o v 增 至2 1 v j 尊，费米能级由较浅的激发态逐渐移动到较深的凝态，对应的激活能迸 照且大学成用袭面物蠼龋家重点实验室 复旦犬学硕士论文 濒增大。由于空穴闻的库仑鞠互作蠲，即使是同一熊级上鼹空穴在囱s i 价带发 射的时候也会因为先后顺序的不同面存在能爨上的差别。根搬褥到的楣邻激活能 的能级间距，我们得出下面的结论。在反向偏压增大的过稷中，首先得到的5 个激活对应予激发态上5 个空穴先羼发射瓣能量，娆级闯冁大约怒7 m e v ，这 个能级差主要是来自于空穴之间的库仑荷电效应。e a 6 和e a 5 的能级间隔为 2 2 m e 、，不溺予兹5 个麓缀鬻躲差剽，潺鞋搽溅至l 静第六个鼗缓应该跫寒叁子量 子点中的基态上空穴向外发射的能量。e a 6 和e a 5 的差别不褥是因为库仑荷电效 应，霸虿是来螽予量子点的量予限铺效应。拭实验中可叛发现，改交反向偏压鹃过 程中，只能得到一组能级，说明这时两层量子点共享相同的能级，同时进行拨流 子的发射和俘获，也就是说此时两屡量子点强烈藕合成一层了，同样也是由于两 层量子点之螂强烈的楼合效应，楣当予增大了量子点的尺寸，露旦本蹙在生长的 过程中，由于应力的作用，第二层的点会大一些，从而使得量子点的摄子限制效 应帮窿仑蔫电效应减弱，瑟以这时懿耗级阕隔遣裁蹙瘁仑穗瞧麓只有7 m e v 。 3 。4 2 2 样菇8 ( 溺隔爱j 莩爱为6 o n m ) 图3 8 给出样品b 在零偏压下所测得的导纳谱皓线，其中( a ) 为c 。t 曲线，( b ) 为g ，n ) 一t 曲线。测试时取七个不同的频率，图中电译曲线从右到左依次是测试 朔i 率为1 m h z 、5 0 0 k h z 、3 0 0 ：王 z 、l o o k h z 、5 0 k l z 、3 0 k 王z 和l o k h z 的睦 线。阁3 9 给出在偏压范围从0 v 到- 2 7 v ，姆隔0 3 v 测量一次的电导谱。出于 隧藿及向镰压熊增大，对应黪瞧导峰壤位置溺褒漫方囊移动，较裹壤搴下泌怠导 峰值灞度趋于室温，同时漏电流的影响也在增大，所以在实际处理数据的过程中， 为了菠得型的结果更为准确，我稍只取3 0 0 & h z - 0 k h z 五个频率下绦值黪数据。 由不问偏压下的电导谱得到的l n f 缈2 r2 ) 1 k t f f l 崴线关系如图3 1 0 所示，图 中只标出一o 3 v 到一2 7 v 间隔为o 6 v 的直线。由这些直线的斜率可以得到不问偏 压下豹激活戆见蜜3 + l 耪表3 2 孛。 分析样品b 的激活能和偏压的关系可以发现在实验的偏压范围内，观察到 两缀缝级。两组糍缀对应静空穴激活能麓不多，第一瓣量子点的熊级为 e a l l 一2 9 3 m d v ，e a l 2 3 0 6 m e v ，e a l 3 = 3 2 9 m d v ，第二层嶷子点的能级为 e a 2 】殴9 4 m e v ，e a 2 2 = 3 0 6 m e v ，e a 2 严3 2 7 m e v 。结合圈3 n 和图3 1 可以发现， 复巨大学应用衰蕊物理国家重点实验室 一 童 。 复旦大学硕士论文 翻3 8 样晶b 在o v 对铡得的导纳谱曲线，( a ) c t ，( b ) g m t t 辑q 一 囊 o t 复目火学应用表谢物理国家重点实验蹩 e 一 毒 复量大学 l 藁士论文 t t t ( 婶 蓉 巷 落 一 蔷 轧 童 啦 t ( q t t 旧 复鼹人学应用表面物理国家重点实验塞 复量六学碳圭逢文 c p 兰 卜 巡 s c 翻3 9 样品b 襁不闻偏压下电器黼温度的变化曲线 饿，( 酹 篷3 + ! 。棒鑫器在不辫褊嚣下褥铡懿融晒，2 乏：) i 艨强褰凌关囊辫m 复且大学蕊矮表耐榴避掰家璧点窭验室 复旦大学硕士论文 o 。3 3 o 3 2 卷0 3 l u 0 。3 0 0 + 2 9 一 - _ ： i i 。 。，一 ，3 o* 2 5* 2 o1 ，5，1 o o 5o 。o u ( v ) 蕊3 i l 榉晶b 鹣激活麓帮藏灞偏嚣的关系 紫 oo 30 6o 91 21 ，5一l 。8。2 12 427 i激活能 0 2 9 51 ，2 9 lo 。2 9 s0 2 9 20 f 3 0 60 1 3 2 8o 3 3 l ( e v )o 2 9 2o ，3 0 60 - 3 2 6 俘获截嚣 3 ，8 53 i 23 。4 32 ，6 74 8 21 3 4 了1 2 8 8 ( 1 0 4 5 c m 2 ) 2 。1 54 。6 08 1 3 褒3 ，2 样鼎c 的激活能和搏获截醋与反商偏压的关豢 当反囱偏压出o v 增至2 7 v 的过程中，费米能缓首先扫过第一层量予点的激茨 态，这时向外交换的慰该能级上的空穴，当反向偏压达到一1 s v 时，第一层鬣子 点激发态上数空穴被完全耗尽。爱向德压鳇续增大，费添能级憋誊j 过磐二层燮予 点的激发态，所以会出现反向偏压增大，激活能减小的现象。当偏压增大到一1 8 v 复融走学成用表颟物理国家蕊点实验蜜3 2 复暨夫学颧上筏文 时，两层量子点激发态上的空穴都被耗尽，反向偏压继续增大就会探测到基态上 的熊级。实验褥到鲍e a l l 、e a l 2 、e a 2 l 秘e a 笠分别对应两层量子点中激发态上的 畿缀，e 鱼。和e a t 。静差剐，述肖e a 2 l 和e a 2 2 的差溺主要怒来自于空穴之间的库仑 荷电效应，大小为1 2 m e v ，要大于样品a 中库仑荷电效应所引起的能级差别，这 是闲为样品b 的闻隔层厚度大予样最a 敬淄隔层厚度，辐合效应溅瓣，对量子限 铡救应和库仑稽电效应的影响也在减弱。瓿1 3 和e a 2 3 剐对应于两层懋子点中的基 态能级，它们和b a l z 及e 赴2 的差别来自爨予限制效应。 3 4 。2 3 样品c ( 问隔层厚泼为7 5 n m ) 对样品c 同样进行导纳谱的测试，得到的结果显示予图3 】2 ，其中( a ) 为c t 蝗线，( b ) 为g 硒一t 趋线。实验中取6 个不目褥测试频搴：l m h z 、5 x j l z 、 3 融 z 、l k z 、5 0 k h z 和3 0 k h z ，分别对应自右向左的电导曲线。从图中 可以发现此时的电导曲线有两个峰值，低温时对应的电导峰来自于量子点中较浅 黪缆缓，毫漫时茨电导峰媸寒叁予较滚黢级。由于瀵瘦较毫时潺惫滤魄较大， 而且随着反向偏压的增大，商温位嚣的电露蜂逐渐移出测量范围，同时漏电流的 影响也在增大，所以高温时得到的电导峰俄位置不是很准确，在分析中不加考虑。 由予瀑毫凌较大，麓以臻蓬藏疆竣在g v 到，0 。9 v ，每黼g 1 v 进行次测量。塑 3 1 3 给出不同偏压下所得到的电导随温度的变化曲线。其中o 5 v 和。o 7 v 的电 导曲线是最后测羹的，由于熬个测试过程的时间很长，所以样品架中可能有积累 黪瘩汽，徉曩表嚣迄鸯可熊缝震，艨臣导数潺邀滚夔攀大。同时也可以发嫒潺窀 流的影响随温度和反向偏迂的增大而增大。由低温电导峰得到的l n f 脚2 ，2 卜 l k t m 直线关系如图3 1 4 所示。实验得到的激活能隧偏压的变化在图3 。1 5 和表 3 3 中绘出。 样品c 的激活能随偏压变化同样呈现分立值，根据c v 测试结聚可以发现在 o 到一o 9 v 的偏压范围内只能探测到第一层量子点，所以只锝至组雏级： n 4 m e v 、1 2 9 糯e v 、1 4 7 m e v 、1 6 9 m e v 和2 0 9 翔e v 。前面4 个能级对应鬣予点激发怒 由于库仑相互作用而产生的分立能级，2 0 9 m e v 则对应予量子点中的蒸态能级。 如襁邻能级的差别可以得出艨仑荷电能大约是玛m e v ，要大于样晶a 、b 中的瘁 仑蕊电能。基态秘激发态静麓级滴距大约是4 0 m e v 。缀阂主要是棒赫e 的闽隔鼷 髭凰大学应用表面物理国家重点实验童 复虽大学硕士论文 一 是 。 沁 一 c j 也 一 8 o t 帕 国3 ，1 2 样品e 在0 v 时测得的零纳谱蝗线，( a ) e t ，( b ) g 肠一t t ( 峋t ( 旧 复曼尖学盛臻表蠢锡理嚣家霪点实验室 毡 县 o e 一 迪 一 连