（凝聚态物理专业论文）量子阱和量子点体系中的载流子动力学.pdf

摘要 低维半导体材料( 量子阱和量子点) 的制各和性质研究，是当前国际上最酊 沿的研究课题之一。目前，量子阱材料的制备和器件应用已经趋于成熟；而量子 点材料由于其对电子的三维限制，导致了电子态密度呈6 函数分布，有可能实现 性能更加优异的光电器件。 作为激光器的有源区，不论量子阱材料还是量子点材料，人们都希望其发光 效率具有较高的温度稳定性，从而实现常温下高效的激光器件。因此，关于量子 阱和量子点材料的光致发光光谱的温度依赖性研究，在理论上和实验上都引起了 人们的广泛关注。 本论文分别模拟了量子阱和量子点结构中载流子的动力学过程，获得了其光 致发光光谱的温度依赖性曲线，并对模拟结果作了进一步的详细分析。 l ，运用耦合多量子阱模型，分别模拟了单量子阱和非对称双量子阱的光致 发光光谱的温度依赖性。结果表明：随着温度的升高，载流子在不同量 子阱之间发生转移。此外，进一步研究了非对称双量子阱结构中两阱的 光致发光强度比的温度依赖性，研究发现：双量子阱中两阱的光致发光 强度比的峰值温度主要由深量子阱( 激活能较大) 的激活能决定，而且 随着深量子阱激活能的增大而升高：两阱的光致发光强度比的峰值大 小，主要取决于两阱激活能的相对值，而且与之成指数关系。 2 运用稳态速率方程模型，模拟了单模自组织量子点的光致发光光谱的温 度依赖性。结果表明；1 ) 当温度达到一定的值时，光致发光光谱的积分 强度发生热淬灭；2 ) 光致发光光谱的峰值能量位置的温度特性曲线呈 “z ”字形；3 ) 当温度低于一定值( 1 0 0 k ) 时，光致发光光谱的半高 宽随温度的升高而减小；当达到最小值后，随着温度的进一步升高，谱 线半高宽逐渐增大，最后基本恢复低温下的值；此外，通过跟踪三组不 同能量的量子点的光致发光强度随温度的变化，得出随着温度升高不同 量子点之间存在载流子的转移。 关键字：量子阱，量子点，载流子动力学，热激发，热逃逸，再俘获 a b s t r a c t t h eg r o w t ha n dc h a r a c t e r i z a t i o no fl o w d i m e n s i o n a ls e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r e s ( q u a n t u mw e l l s ( q w s ) a n dq u a n t u md o t s ( q d s ) ) i s o n eo ft h ef r o n t i e r so f s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a ss c i e n c e s of a r , t h eg r o w t ha n de x p l o i t a d o no fq w sh a s g r o w nu p i nr e c e n ty e a r s ，s e l f - o r g a n i z e dq u a n t u md o t s h a v eb e c o m ea n o t h e r p r o m i s i n gm a t e r i a l t h ed e n s i t yo fs t a t eo fe l e c t r o ni nq d s i s5 - f t m c t i o n l i k eb e c a u s e o ft h ec o n s t r a i n ti nt h r e e d i m e n s i o n a l m a y b ei tw i l li n d u c et ot h er e a l i z a t i o no f p h o t o n i cd e v i c e sw i md e v e l o p e dp e r f o r m a n c e a st h ea c t i v e r e g i o n o fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，e i t h e rq w so r q d s ，t h e t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h ep h o t o l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yi se s s e n t i a l l yi m p o r t a n tf o r t h er e a l i z a t i o no fr o o m - t e m p e r a t u r ee f f e c t i v ep h o t o n i cd e v i c e s c o n s e q u e n t l y , m u c h i n t e r e s th a sb e e na t t r a c t e dt ot h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f t h ep h o t o l u m i n e s c e n c eo f q w sa n dq d sb o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y i nt h i st h e s i s ，t h ec a r r i e rd y n a m i c si nq w sa n dq d si ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y w ea c h i e v et h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c ec u r v e so f t h ep h o t o l t t m i n e s c e n c eo f q w sa n d q d s ，a n da n a l y z et h es i m u l a t i n gr e s u l t si nd e t a i l 1 b yu s i n gt h ec o u p l i n gm u l t i p l e - q u a n t u m - w e l lm o d e l ，w es i m u l a t e dt h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h ep h o t o l u m i n e s c e n c eo fs i n g l eq u a n t u mw e l l a n da na s y m m e t r i cd o u b l e q u a n t u m - w e l l ，r e s p e c t i v e l y i ti ss h o w nt h a t c a r r i e r st r a n s f e rb e t w e e nt h ed i f f e r e n tq u a n t u mw e l l sw i t ht e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g m o r e o v e r , t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h er a t i oo f p h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t y i na n a s y m m e t r i cd o u b l e - q u a n t u m w e l l i s s t u d i e di nd e t a i l i ti ss h o w nt h a tt h er a t i oo fp h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yo f e a c hw e l ls t r o n g l yd e p e n d so nt h et h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g i e s t h em a x i m u m o ft h er a t i oo fp h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yd e p e n d se x p o n e n t i a l l yo nt h e d i f f e r e n c eo ft h e r m a la c t i v a t i o n e n e r g i e s ，w h i l e t h e t e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m u mm a i n l yd e p e n d sl i n e a r l yo nt h et h e r m a l a c t i v a t i o ne n e r g yo f d e e p e rq u a n t u mw e l l 2 ，b yu s i n gt h er e a d y s t a t i o nr a t ee q u a t i o nm o d e l ，t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f t h ep h o t o l u m i n e s c e n c eo fs i n g l em o d e l s e l f - o r g a n i z e dq u a n t u md o t si s s i m u l a t e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： a ) a st e m p e r a t u r er e a c h e st oav a l u e ，t h ei n t e g r a t e di n t e n s i t yo ft h e p h o t o l u m i n e s c e n c eo fq d sb e g i n st oq u e n c h b ) t h ep le n e r g yp e a ko fa ne n s e m b l eo fq d su n d e r g o e sar e ds h i f tw i t h i t e m p e r a t u r em u c hf a s t e rt h a nt h a to ft h eb u l kb a n dg a p ，a n de x h i b i t sa s i g m o i d a ld e p e n d e n c eo nt e m p e r a t u r e c ) t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) i sc o n s t a n tu pt o - 3 0 ka n d u n d e r g o e sas 订o n gr e d u c t i o na th i g h e rt e m p e r a t u r e s a f t e rh a v i n g r e a c h e dam i n i m u mv a l u ea tt - 1 0 0 k ，t h ef w h ms l o w l yr e c o v e r st h e l o w - tv a l u e d 、t h ev a r i e t yo ft h ep li n t e n s i t yo ft r e eg r o u p so fq d sw i t hd i f f e r e n t e n e r g yw h i l et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，s h o w st h a t c a r r i e r s t r a n s f e r b e t w e e nd i f f e r e n tq d s k e yw o r d s ：q u a n t u mw e l l s ( q w s ) ，q u a n t u md o t s ( q d s ) ，c a r r i e rd y n a m i c s ， t h e r m a ls t i m u l a t e d ，t h e r m a le s c a p e ，r e c a p t u r e i i i 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：更p 汔砌 力印j 年譬月z 占日 段专繇 j 觎? 刍茄 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、已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，均已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。 学位论文作者签名：哗涨锄 7 卯j年岁月巧日 市貉 i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 低维半导体材料，通常是指除三维体材料之外的二维( 量子阱、超晶格) ， 一维( 量子线) 和零维( 量子点) 材料。二维量子阱、超品格材料，是指载流子 在两个方向上可以自由运动，而在另外一个方向则受到约束，即材料在这个方向 的特征尺寸与电子的德布罗意波长( 屯= h 2 4 丽e ) 或电子的平均自由程相比 拟或更小；一维量子线材料，是指载流子仅在一个方向可以自由运动，而在另外 两个方向则受到约束；零维量子点材料，是指载流子在三个方向上运动都受到约 束的材料系统，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。 自从1 9 6 9 年l e s a k i 和r t s u 提出超晶格的概念以来【l l ，以半导体量子阱 超晶格、量子线和量子点为代表的低维半导体结构成为凝聚态物理中最为活跃的 前沿领域之一 2 l 。在低维结构中，由于载流子在运动方向上受到限制，因而其能 量发生量子化。随着低维半导体材料尺寸的减小，即当结构的特征尺寸或颗粒的 尺寸与电子或空穴的德布罗意波长相比拟时，其中的电子在个、两个或三个方 向上受到势垒的约束限制，因而会表现出明显的量子效应，如：量子限制、共振 隧穿、库仑阻塞、超晶格微带、声子约束、低维电子气等效应【3 - 8 】。基于这些量 子效应的半导体光电子、微电子器件将具有更高速、更低功耗、新功能等独特的 优越性。 量子点是继量子阱超晶格、量子线之后发展起来的一种新型介观体系，其典 型特征是电子波函数的完全局域化和能量的量子化。由于在三个维度上都受到限 制，使得量子点中电子的有效态密度分布呈6 函数。理论预言，以量子点结构为 有源区的激光器将具有极低的阈值电流、极高的特征温度、极高的微分增益和极 窄的谱线宽度归，1 0 1 。随着态密度的尖锐化，其增益峰值越来越窄，微分增益越来 越人，调制带宽也越来越高f i ”。这些优异的特性都归因于量子点态密度呈6 函数 分布。 第一章绪论 1 2 低维半导体结构中的电子态 在理想的情况下，假设势阱为无限深势阱，势能函数可写为： w ) = 仨譬 ( 1 1 ) l 。o，2 d 其中d 为势阱宽度。 相匝的辞足碍万栏j 写为： 怯v b 却回 其中m + 为电子的有效质量。 电子的能态密度函数p ( e ) 可写为： 昭，2 赢舟 下面，将分别讨论三维、二维( 量子阱、超晶格) 、 ( 量子点) 材料中，电子的波函数以及态密度函数p ( e ) 在三维体材料中，电子的波函数及本征能量为： y ( ，) ：。如，e ：娑 z m 冈而电子的有效杰察序为 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 一维( 量子线) 和零维 ( 1 4 ) 郴，= 击( 钟o s ， 在二维量子阱中，设其界面垂直于z 方向，则电子运动的波函数可表示为： ( x , yz ) = e t ( k r x + k y y ) s i “了n g z z ，n = 1 2 ，3 ， ( 1 6 ) 相应的本征能量：e = e ，+ e ；，其中为连续谱，e 。= 壳2 女弓2 m + ，e ：是 量子化的。 电子的能态密度应为： 础，= 莓椰m 州耻槲三! 乏 ， 第一章绪论 在一维材料( 量子线) 中，在受限制的两个维度上电子的能量是量子化的， 同理可知： c 耻妊) 焉 _ ( 1 8 ) 在零维材料( 量子点) 中，电子在三个维度上的运动均受到限制，其能量e 是完全量子化的，电子能态密度为： p 。( e ) = a s ( e e )( 1 9 ) 量子化能级间距与该方向上的约束长度成反比，随着该方向的尺寸减小，该 方向的量子化能级间距越大，即量子化效应就会愈明显。 综上所述，不同维度材料中电子有效态密度函数是不相同的。随着维度的降 低，量子限制效应逐步增强，能态密度谱由连续谱转变为尖锐的分离谱1 2 , 1 2 1 ，如 图1 1 所示。 ， ， ，一 ，! 3 ，一 i f 1 ( 。 、 、- _ 图1 - 1 不同维度半导体结构的电子能态密度谱示意图【1 2 】 _(j，蕾kr苎打皿鲁i。参面毫凸 第一章绪论 1 3 低维半导体结构的制备 一般而言，高质量的半导体异质结材料生长需要不同的材料之间晶格匹配。 由于任意组分的a 1 g a a s 与g a a s 的晶格常数都相近，因此，a 1 g a a s g a a s 材料 体系成为低维半导体领域研究的先驱。但是，不同组分半导体材料的晶格常数常 常并不一致，这大大限制了对材料的选择。 8 0 年代中期以来，利用品格失配的材料体系组成新的异质结构逐渐得到人 们的重视与研究，其内在的应变为能带设计提供了一种新的自由度。对于应变异 质结构生长而言，一方面，应力作为一个新的参量，通过对组分、层厚的控制改 变材料的物理性质，可以更好地实现对材料能带的裁剪；另一方面，应变的存在 改变了材料的能带结构，解除了价带的简并，改变了有效带隙，使得异质结构的 带隙呈现多种形态。最重要的是，大应变材料体系的压应变可以用来直接生长量 子点。 1 3 1 失配晶格的内应力 半导体中两种材料的晶格常数相同的情况几乎没有，一般利用三元或四元合 金法，以使得两种材料的晶格常数尽量匹配。但是，晶格失配总是或多或少地存 在。实验发现，只要失配度不是很大，超品格每层厚度不是很大，总厚度低于某 一闽值，则两种材料会发生弹性形变，在平行方向上达到一致的平衡晶格常数 a 。，并仍保持晶体良好的晶格性质，这种超晶格就称为应变超晶格。应交超晶 格的产生大大扩大了超晶格的种类和应用范围，并具有其独特的性质。在应变超 晶格内，由于发生弹性形变，要维持这种形变就要有一定的应力，这种应力就叫 内应力。内应力的存在不仅改变了超晶格的电子结构，还为设计新的半导体低维 结构提供了新方法。 1 3 2 异质外延的三种生艮模式 通常，异质外延有三种生长模式f 1 3 】，第一种是二维( 2 d ) 层状生长，称为 f r a n k v a nd e rm e r w e ( f v d m ) 模式；第二种是三维( 3 d ) 岛状生长，称为 v o l m e r - w e b e r ( v - w ) 模式；第三种是s t r a n s k i i r a s t a n o w ( s - k ) 模式，就是先 二维层状生长后三维岛状生长( 2 d 一3 d ) 。图1 - 2 给出了三种生长模式的示意图。 第一章绪论 口曲口 嚣笛肖 f - v d m 图1 之异质外延的三种生长模式示意图 1 3 】 在品格失配的系统中，当盯2 + 一2 q 时，按v - m 模式生长。其中，吼、托、c r 2 分别为衬底的表面能、界面能、外 延层的表面能。换句话说，口：+ ：的变化仅能使生长模式在f v d m 模式和v - m 模式之间转换，即：外延层与衬底浸润与否。大品格失配的情形下，外延层会以 岛状生长。对于具有较小的界面能，但又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。 1 3 3 白组织量子点的制备 生长自组织半导体量子点的方法主要有两种一种是传统的s k 生长模式， 被广泛应用于晶格失配材料，例如在g a a s 表面上生长 n a s 量子点。在生长的 初期是逐层生长的，当沉积厚度超过临界厚度时，无缺陷的三维岛会自发地在表 面上形成。另一种方法是亚单层( s u b _ m o n o l a y e r ，s m l ) 沉积法【1 4 】。在该方法中， 以生长l n g a a s g a a s 量子点为例，首先在g a a s 表面上生长0 5 个单层的i n a s ， 这时表面被高度为一个单层的二维l l a s 岛所覆盖，接着生长2 5 个单层的g a a s 以平滑表面。然后重复该过程数次，形成l n g a a s 量子点结构。 第一章绪论 1 4 低维半导体材料与器件的研究进展 低维半导体材料具有许多优异的特性和广阔的应用前景，因而引起了人们极 大的研究热情，成为半导体物理研究领域的热点【1 5 】。量子阱材料生长及器件制作 的技术已经非常成熟，量子点独特的物理性质也被广泛地用于制作各种光电器 件。 1 4 1 基于量子阱结构的器件 a 1 g a a s g a a s ? i n g a a s g a a s ，a i g a l n p g a a si n g a a s l n p ，i n a l a s i n p 、 i n g a a s p i n p 等g a a s 、i n p 基晶格匹配和应变补偿材料体系发展的相当成熟，已 成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体 管( h e m t ) 、赝高电子迁移率晶体管( p ，h e m t ) 器件最好水平已达f m 。= 6 0 0 g h z ， 输出功率5 8 m w ，功率增益6 4 d b ；双异质结晶体管( h b t ) 的最高频率f m 。也 已高达5 0 0 g h z ，h e m t 逻辑大规模集成电路研制也达很高水平。基于上述材料 体系的光通信用1 3 t x m 、1 5 5 9 n a 的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光 二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已经商品化。g a n 基蓝绿 光器件、表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。 1 9 9 4 年，美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的 量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制，成功地获得了3 5 1 7 9 m 波 长可调的红外激光器。2 0 0 0 年中科院半导体研究所首次研制成功3 7 m 室温准 连续激射的应变补偿i n g a a s i n a l a s 量子级联激光器，使我国成为能研制这类高 质量激光器材料为数不多的几个国家之一。最近有新闻报道，半导体所材料科学 重点实验室研制成功g a a s 基量子级联激光器，实现了1 2 0 k 激射( 占空比1 ) ， 波长9 1 9 r n ，8 1 k 下峰值功率大于7 0 m w ，标志着我国红外量子级联激光器研究 进入世界前列，为进一步开展太赫兹( t h z ) 量子级联激光器研制打下了坚实的 基础。 1 4 2 基于量子点结构的器件 近年来，应变自组织量子点材料与量子点激光器的研制已成为国际研究的热 点。应用s k 自组织量子点结构已经成功地制备出量子点激光器，波长覆盖了近 红外和红光波段。1 9 9 2 年u e n o 等人报道了单层i n g a a s a 1 0 a a s 量子点结构，实 现厂室温激射，阂值电流密度( 如) 为9 5 0 a c m 2 ；1 9 9 4 年俄德联合小组首先研 第一章绪论 制成功i n a s g a a s 量子点材料：1 9 9 6 年a l f e r o v 等人研制成功有源区为三层结构 ( 垂直耦合) 的量子点激光器，阈值电流密度矗为6 8 0 a c m 2 ；同年，l e d e n t s o v 等人1 1 6 又报道了l o 层垂直耦合i n g a a s g a a s 量子点结构激光器，室温闽值电流 密度如为9 0 a c m 2 ；1 9 9 7 年u s t i n o v l l 7 1 等人又报道了如低达6 0 a c m 2 的量子点 激光器。1 9 9 6 年量子点激光器室温连续输出功率达1 w ，阈值电流密度为 2 9 0 a c m 2 ，1 9 9 8 年达1 5 w ；1 9 9 9 年i n g a a s g a a s 量子点激光器2 8 3 k 温度下最 大连续输出功率( 双面) 高达3 5 w 。中国科学院半导体研究所在继1 9 9 6 年研制 成功量子点材料，1 9 9 7 年研制成功量子点激光器后1 8 1 ，1 9 9 8 年初，三层垂直耦 合i n g a a s g a a s 量子点有源区的量子点激光器室温连续输出功率超过1 w ，阈值 电流密度仅为2 1 8a c m 2 ，0 6 1 w 工作3 0 0 0 小时后，功率仅下降0 8 3 d h 。其综合 指标，特别是器件寿命这一关键参数，处于国际领先水平。2 0 0 0 年，实验室研 制成功波长为9 6 0 n m 左右的量子点激光器，室温双面c w 功率输出高达 3 6 2 w 【1 9 】。s a i t o 等人还报道了1 0 周期( i n o5 g a o 5 a s g a a s ) 以q d 为有源区的面 发射量子点激光器，室温下连续工作，入= o 9 岬，j t h = s ka e m 2 。s f a f a r d 研 制成功i n a i a s g a a l a s 红光量子点激光器原型器件，有源区为4 5 m li n 0 6 租l o3 6 a s q d ，两边各为1 6 n m 的a 1 02 5 g a o7 5 a s 垒层，在7 7 k 实现脉冲激射，波长为7 0 7 n m ， 儿为7 0 0 a c m 2 。中科院半导体所材料重点实验室也实现了在2 2 0 k 下，如= 4 0 0 - - 4 2 0 a c m 2 ，波长为7 0 0 7 5 0 n r n 连续激射的i n a i a s g a a l a s 红光量子点激光器， 跨入了国际研究的前沿口0 1 。 同时，亚单层沉积法生长的i n g a a s 量子点己经被用于室温发射波长为 9 4 0 n m 的高功率激光器f 1 4 , 2 1 2 2 。2 0 0 3 年，徐章程等发现亚单层i n g a a s 量子点结 构其实为一个量子点一量子阱异质结构，即1 1 1 成分较高的i n g a a s 纳米点镶嵌在 i n 成分较低的i n g a a s 量子阱中【2 3 , 2 4 。2 0 0 4 年，徐章程等研制出室温发射波长为 9 6 5 n m 的亚单层i n g a a s 量子点激光器，该激光器具有高增益，窄增益谱和零线 宽增强因子等特性 2 ”。 尽管目前对自组织量了点的研究越来越深入，应用也越来越广泛，但理论上 和实验上仍然存在许多问题亟待解决。 塑二主堡堡 参考文献 【1 l e s a k i ，a n dr t s u ，i b mr e s n o t e ，r c - 2 4 1 8 ( 1 9 6 9 ) 、 f 2 1m a c u s a c k ，pr b r i d d o n ，m j a r o s ，p h y s r e v b ，5 4 ，1 1 2 3 0 0 ( 1 9 9 6 ) 【3 3wh t s a n g ，a p p l p h y s l e t t ，3 9 ，7 8 6 ( 1 9 8 1 ) ， 【4 】d s c h e m l a ，d a b m i l l e r , p ws m i t h ，e ta 1 ，a p p l p h y s l e t t ，4 2 ，8 6 4 ( 1 9 8 3 ) 【5 】d a b ，m i l l e r , d s c h e m l a , d s e i l e n b e r g e r , e ta l ，a p p l p h y s l e t t ，4 2 ，9 2 5 ( 1 9 8 3 ) 6 1d 、a b m i l l e r , d s c h e r n l a ，d s d a m e n ，e ta l ，p h y s r e v l e t t ，5 3 ，2 1 7 3 ( 1 9 8 4 ) 【7 】th w o o d ，c a b u u s ，d a b m i l l e re ta l ，a p p i p h y s l c t t ，4 4 ，1 6 ( 1 9 8 4 ) 8 】d a b m i l l e r , a p p l p h y s l e t t ，4 8 ，1 ( 1 9 8 6 ) 1 9 】ya r a k a w aa n dh s a k a k i ，a p p lp h y s l e t t 4 0 ，9 3 9 ( 1 9 8 2 ) 1 0 ptl a n d s b e r g ，e ta l ，i e e e j q u a n t u me l e c t r o nq e 一2 1 ：2 4 ( 1 9 8 5 ) 1 1 】王占国，纳米半导体材料及其纳米器件研究进展，半导体技术2 6 ，( 3 ) 1 3 ( 2 0 0 1 ) n 2 1 李月法中科院半导体所博士学位论文，2 0 0 1 年 【1 3 jd je a g l e s h a ma n dm c e r u l l o ，p h y s r e v 1 e t t ，6 4 ，1 9 4 3 ( 1 9 9 0 ) f 1 4 1 l k r e s m i k o v , n ，n ，l e d e n t s o v , e ta 1 ，p h y s s t a t u ss o l i d i ( a ) 1 8 3 ，2 0 7 ( 2 0 0 1 ) 【1 5 】王占国等，中国科学( a ) 7 ：6 4 4 - 6 5 2 ，2 0 0 0 【1 6 l e d e n t s o vn n e ta l ，p h y s r e v b5 4 ，8 7 4 3 ( 1 9 9 6 ) 【1 7 】vm u s t i n o v , l n s t p h y s c o n f s e r i e s ，1 5 5 ，5 5 7 ( 1 9 9 7 ) 【18 】w a n gzge ta 1 ，t h e3 dp a c i f i cr i m i n t e r nc o n lo na d v a n c e dm a t e r i a l sa n dp r o c e s s i n g , e d i t e db ym a i m a me ta 1 ，h o s t e db yt m s ，1 9 9 8 ：2 0 9 7 1 1 9 lw a n g zg ，l i ufq ，l i a n gjb ，e ta 1 s c i e n c ei nc h i n a4 3 ，8 6 1 ( 2 0 0 0 ) 【2 0 】h yl i u ，wz h o u ，d d i n g ，e ta l ，a p p l p h y s l e t t 7 6 ，3 7 4 1 ( 2 0 0 0 ) 【2 1 】a f z h u k o v , a r k o v s h ，s s m i k r i ne ta 1 ，e l e c t r o n l e t t 3 5 ，18 4 5 ( 1 9 9 9 ) 【2 2 1ar k o v s h , a r k o v s h ，n a m a l e e ve ta l ，m i e r o e l e e t r o n j 3 4 ，4 9 1 ( 2 0 0 3 ) 2 3jx u zc ( 徐章程) ，l e o s s o nk ，b i r k e d a lde ta 1 ，n a n o t e e h n o l o g y1 4 ，1 2 5 9 ( 2 0 0 3 ) ， 2 4 x uzc ( 徐章程) ，b i r k e d a ld ，h v a m jm e ta 1 ，a p p i p h y s l e t t 8 2 ，3 8 5 9 ( 2 0 0 3 ) 2 5 】x uzc ( 徐章程) ，b i r k e d a ld ，j u h lm e ta 1 a p p l p h y s l e t t ，8 5 ，3 2 5 9 ( 2 0 0 4 ) 第二章分子束外延技术与材料表征技术 第二章分子束外延技术与材料表征技术 2 1 分子束外延( m b e ) 技术 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，简称m b e ) 技术岬1 是当今最先进 的薄膜外延技术之一，能够将生长精度控制在单原子层的量级，已被广泛地用于 半导体低维材料的生长领域。 2 1 1m b e 原理 分子束外延技术是于1 9 6 8 年首次由贝尔实验室的a r t h u r 发明，并于1 9 7 1 年由卓以和等人发展成为一种较为成熟，也是最为优越的超薄层生长方法。原理 如图2 1 所示。它是在超高真空条件下( e g 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 4 c m 。) ，通过本征吸收， 在材料表面约li tm 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，汇聚进入单色仪 进行分光，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 度按光予能量分布的曲线，即光致发光谱图。光致发光谱是一种灵敏度高、样品 制各简单、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。 二、光致发光光谱仪装置 光致发光( p l ) 测试系统分为下面三个部分： 1 光源 通常要求激发光源有较好的稳定性，激发光的能量大于所需要测量的辐射复 合能量。一般选用激光作为激发光源。 2 变温系统 外界温度对样品的p l 光谱有较大的影响：在室温下，非辐射复合过程较强， 而辐射复合过程相对较弱，许多辐射复合的发光过程难于测量；在低温下，非辐 射复合过程大大减小，发光带的热展宽也相应减小，因此有可能观察到精细结构。 此外，低温下辐射效率得以提高，发光强度增强。通过变温还可以判断复合过程 机制，了解发光机理。因此，变温系统是p l 技术重要的组成部分。 第二章分子束外延技术与材料表征技术 3 光探测系统 为了了解p l 光强度按能量的分布，要用单色仪将样品的p l 信号分光，光通 过光探测器将光信号变为电信号。由于一般p l 信号较弱，所以要求光探测器有 较高的灵敏度，并通过锁定技术或单光子计数技术对处理信号，最后通过计算机 记录光谱。 2 2 3 表面光电压谱( s u r f a c ep h o t o v o l t a g es p e c t r o s c o p y , s p s ) 7 1 一、表面光电压谱仪装置 1 表面光电压谱装置 图2 3 是表面光电压谱构造框图。表面光电压谱仪主要由光源( w 灯) 、单 色仪( w d g 3 0 一2 ，中国制造) 、样品池、前置放大器( s r 5 5 0 美国制造) 、锁相 放大器( s r 8 3 0 美国制造) 、斩波器( s r 5 4 0 美国制造) 和数据处理器( 联想计 算机，中国制造) 七部分构成。光谱扫描范围4 0 0 n m 1 6 0 0 n m 。 图2 3 表面光电压测试系统结构图 1 光源；2 单色光仪；3 斩波器；4 反射镜；5 透镜； 6 光电压池；7 锁相放大器；8 计算机；9 打印机；1 0 电源 2 光电压池 光电压池是光电转换器件，它的构型对光电压响应及信噪比有较大影响。锁 相放大器输入阻抗较高，研究的材料内阻较高，为了获得最好的信噪比，必须采 用较好的电磁屏蔽。实验中采用铜和铍钼合金为电磁屏蔽材料。 禽 陬掣墨幽 第二章分子束外延技术与材料表征技术 二、表面光电压谱基本原理 1 接触电势差 考虑金属和n 型半导体接触的问题，接触前它们各自内部处于热平衡情况， 金属费米能级为e f m ，半导体为e f s ，它们的功函数分别为o m ，中s 。假设n 型半导 体e f s 比金属e f m 高，接触后电子要从e f s 高的半导体流到e f m 低的金属，于是金 属由于电子过剩而带负电，半导体由于电子欠缺而带正电，在它们的界面形成面 电荷。金属一侧负电荷积累在一个原子层厚度内，而在半导体一侧正的面电荷占 据相当厚的一层，从而在界面形成空间电荷区，在这个区域内有电场存在，从半 导体的表面到体内逐渐减弱，直到空间电荷区的边界，电场消失。由于“自建场” 的存在，使得金属的电势v m 低，半导体内电势v o 高，电子势能( 一e ) v 在金属一侧 高，半导体一侧低，形成接触电势差( v o v m ) 。接触电势差的出现，引起金属与 半导体能带的相对移动，并导致它们体内费米能级随之相对升降，当达到平衡时 两者的费米能级e f 各处相等。这时接触电势差为v s = v o v m ，而( e ) ( v o v m ) = e f m ef s ，其能带图见图2 4 b 。 p 型半导体和金属接触，其e f s 低于e f m ，接触电势差为v s = v m v o ，其能 带图见图2 4 a 。 a b 图2 - 4 n 型和p 型半导体表面势垒 其他的有机材料和尤机氧化物等与半导体类似。由于在制备过程中体相内 部多少都存在着缺陷杂质及原子空位( 包括有机半导体，有机染料) ，而且其电子、 空穴迁移率不同，虽然没有特殊掺杂，但在一定程度也具有n 型，p 型性质，如果 和金属接触，界面也能存在“自建场”，材料形成带弯，也就是说界面存在接触 电势差，可按半导体金属接触理论加以处理， 熬巍 第二章分子柬外延技术与材料表征技术 2 光对表面势垒v s 的影响 图2 - 4 表明光照到表面电荷区时所发生的过程。如果使用能量大于或等于材 料的入射光& 值时，在样品的表面附近就会产生本征的激发，造成了大量的电 子一空穴对。由于表面存在着表面势，表面附近的非平衡载流子在表面势v s 的作 用下将发生分离。对于1 1 型材料，电子向体相扩散，空穴向表面运动。光生电子 可以部分地中和空间电荷区的正电荷，而光生空穴可以跨越界面，与对电荷( 负 电荷) 相作用，两种作用的结果都使得表面势v s 下降，有效费米能级提高；对于 p 型材料，电子向表面运动，空穴向体向运动。结果使v s 升高，有效费米能级 下降。 3 双势垒接触及表面光电压的产生 如果有一个阻挡接触和一个完全的欧姆接触时，对于太阳能光电转换可以获 得最佳效率。但在表面光电压测量中，不希望有电流输出，因此欧姆接触是不必 要的，需要构成两个势垒接触( 或阻挡接触) 。 如果我们将测量电极做成三明治形式，并且保证样品厚度远远大于光透入深 度，与材料相接触的电极使用相同材料，那么在样品的两侧表面所形成的v s 完 全相同。暗条件下，v s l = v s 2 ，a v s = 0 。 如果样品一侧受光照射( 电极可以透光) ，而另一侧保持暗条件，在受光的表 面将有新的接触电势差v s 形成。这时，a v s = v s - - v s l ，a v s 0 ，这个值就是 表面光电压。当使用不同波长的光照射样品时，表面光电压会有不同的响应，把 表面光电压对入射光波长做图，即得到表面光电压谱。 表面光电压的测量是观察由入射光所诱导的表面势v s 的变化，是个相对值 的测量。因此，两个接触势v s i 和v s z 的初始值( 暗条件下) 是否相等并不重要。 因此，测量电极可选取不