（凝聚态物理专业论文）锗硅双层量子点的电学特性研究.pdf

锗硅双层量子点的电学特性研究 摘要 本文研究了g e s i 双层量子点的耦合效应，从理论和实验l 刘用分子束外延 ( m b e ) 自组织方式生长的s i 基g e 双层量子点的深能级瞬态谱( d l t s ) 、导纳谱 ( a d m i t t a n c es p e c t r o s c o p y ) 进行了系统的分析，对三块不同间隔层的双层量子点 样品进行电学测试，通过它们不同的电学行为，研究了双层量子点耦合效应跟间 隔层厚度的关系。 1 用d l t s 方法研究了双层g e 量子点中载流子的俘获过程，改变脉冲宽度， 通过比较三块不同样品的d l ，f s 谱，我们可以很清楚地看到，随着双层 量子点间间隔层厚度的增大，两层量子点间的耦合作用相应地减小了。 当间隔层厚度为4 5 r i m 时，两层量子点强烈耦合成单层量子点；当间隔 层厚度为6 0 n m 时，耦合效应减小，但在两层之间出现了隧穿效应；当 间隔层厚度增大为7 5 n m 时，耦合效应几乎可以忽略。 2 用导纳谱的方法研究了双层g e 量子点的能级结构及库仑荷电效应。通过 改变不同的反向偏压，利用不同的测试频率可得出量子点中相应的空穴 的激活能。并跟d l t s 所得到的结果进行比较，得到了样品的更加完整 的能级结构，证明了前面所得到的有关双层量子点耦合效应跟间隔层厚 度的关系这一结论。通过研究单频法和多频法的区别，指出俘获截面跟 频率的相关性。 关键字：双层量子点，耦合效应，隧穿效应，库仑效应，d l t s ，导纳谱 水垃”、，州s i 吨1 扩 纫垒定公市 a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，t h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nd o u b l el a y e rq u a n t u md o t s ( q d s ) h a s b e e ns t u d i e d as y s t e m a t i ca n a l y s i si sp e r f o r m e do nt h ed e e pl e v e lt r a n s i e n ts p e c t r u m a n dt h ea d m i t t a n c e s p e c t n n n o fg eq d se m b e d d e di n s i b a r r i e r s t h r o u g ht h e d i f f e r e n te l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e es a m p l e sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e so f s p a c e rl a y e r ，t h ec o u p l i n g e f f e c t d e p e n d e n t o nt h e s p a c e rl a y e r t h i c k n e s si s i n v e s t i g a t e d 1 w i t hv a r i o u sp u l s ew i d t h s ，t h ec a p t u r ep r o c e s so fc a r r i e r si ng eq d si s s t u d i e db yd e e pl e v e lt r a n s i e n ts p e c t r o s c o p y ( d l t s ) t h ec o m p a r i s o n so f d l t ss p e c t r ao ft h et h r e e s a m p l e s i n d i c a t et h a tt h e c o u p l i n g e f f e c t b e t w e e n t w o q d s l a y e r sd e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e t h i c k n e s so f t h e s p a c e rl a y e r w h e nt h es e p a r a t e dl a y e ri st h i ne n o u g h ( 4 5 n m ) ，t h e r ei sa s t r o n gc o u p l i n ge f f e c tw h i c hm a y m a k et h et w oq d l a y e r sc o u p l ei n t oo n e w h e nt h es p a c e rl a y e ri s6 n m ，t h ec o u p l i n ge f f e c tr e d u c e sd r a m a t i c a l l y , b u tt h et u n n e l i n ge f f e c tm a k e sh o l e st r a n s f e re a s i l yb e t w e e nt h et w o l a y e r s i ft h es p a c e ri so v e r7 5 n m ，b o t ho ft h ec o u p l i n ga n d t u n n e l i n ge f f e c t sc a r l b e n e g l e c t e d 2 t h e q u a n t u me n e r g yl e v e ls w a c t u r ea n dc o u l o m bc h a r g i n ge f f e c ti nt h e d o u b l el a y e rg eq d sh a sb e e ne x t r a c t e di nt h ea d m i t t a n c e s p e c t r a b y v a r y i n gt h eb i a sv o l t a g e ，t h ea c t i v a t e de n e r g i e so ft h ed i s c r e t ee n e r g y l e v e l sa r e o b t a i n e d b yc o m p a r i s o n ，m o r ei n t e g r a t e d e n e r g y l e v e l s t r u c t u r e sa r e d i s p l a y e d ，a n d b o t hd l t sr e s u l t sa n da d m i t t a n c e s p e c t r o s c o p y r e s u l t s i m p l y t h es a m ec o n c l u s i o n ：t h e c o u p l i n g e f f e c t b e t w e e nd o u b l el a y e rq d s d e p e n d so nt h et h i c k n e s so ft h es p a c e rl a y e r a l s o ，t h ec r o s ss e c t i o nd e p e n d e n to nf r e q u e n c yh a sb e e np u tf o r w a r d t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i n g l ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o n a n d m u l t i p l ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：d o u b l el a y e rq d s ，c o u p l i n ge f f e c t ，t u n n e l i n ge f f e c t ，c o u l o m be f f e c t ， d l t s ，a d m i t t a n c es p e c t r o s c o p y 锗硅双层量子点的电学特性研究 第一章绪论 1 1 研究锗硅量子点结构的意义 1 9 6 9 年，江崎和朱兆祥 1 在研究通过双重或多重势垒可能发生共振隧道效 应时想到了超晶格的概念。他们设想将两种晶格匹配的材料交替生长成一维周 期性结构。1 9 7 1 年，卓以和首先用分子束外延的方法成功地生长出 g a a s a 1 。g a ( 1 - x ) a s 半导体超晶格【2 】。随后人们又在这些量子阱( 如图1 1 ( b ) ) 、量 子线( 如图1 1 ( c ) ) 、量子点( 如图1 1 ( d ) ) 等低维量子系统中发现了许多新的现象， 如量子限制效应、共振隧穿、超晶格微带输运、声予约束效应、二维电子气效 应等等。正是这些新的特性，也使得半导体器件的设计和制造由原先的“杂质 工程”发展到“能带工程”的新范畴。因此，在半导体学界有不少人认为，超 品格的诞生是继晶体管发明后，半导体物理研究和半导体器件发展的又一新的 里程碑，同时也激发起人们更大的研究热情。 随着k l a u sv o nk l i t z i n g 和崔琦等分别对整数量子霍耳效应 3 】和分数量子霍 耳效应 4 ，5 的发现，人们对准二维体系的研究也日趋成熟。目前为止，绝大部 分的实验结果都能用一些理论模型加以解释，同时，人们也可以通过理论模拟 来预测一些重要的实验现象。在理论和实验基础上研制而成的许多包含量子阱 结构的器件，如量予阱激光器等，已经在许多领域得到应用。 研究量子阱的成功及其带来的巨大效应，也同时激发了研究人员们向更低 维的量子结构进行挑战。1 9 8 6 年，t i 公司的r e e d 等首次生长出尺度为2 5 0 n m 的量子点【6 。由于在量子点中，载流子的运动在空间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。又因为其电子( 空穴) 之间的强 烈库仑相互作用，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f l 。 7 ，8 。随着硅基单电 子晶体管在室温下运转的成功实现，g e s i 量子点为实现硅基发光和光电集成提 供了新的途径。 1 2 研究锗硅量子点结构的电学方法 由于量子点对载流子的束缚作用，使得其呈现出强烈的量子效应，如量子 能级、库仑效应等。当量子点结构受外场或温度变化的影响时，其内部空间电 锗硅双层量了点的也学特r 士研究 荷的分布也会相应地发生变化，这些变化可在其外电路可测量量，如电容、电 ( a ) 体材料( b ) 量子阱( c ) 量子线( d ) 量子点 图1 1 低维结构材料 导等电学参量上表征出来。根据这些电学参量随外场或温度的变化关系，可以 得到载流子浓度、量子限制能级、能带偏移等重要参量。 1 2 1 电容一电压法( c - 电容- 电压( c - 功法最初是用来测量体材料中载流子纵向分布的方法。在样 品上加上直流反向偏置电压，样品势垒宽度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，势垒宽度也相 应地会发生微小的变化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 矿时，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 a v d ( w ) d w d 晾，根据 上面两个公式可以得到杂质载流子浓度分布： 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 矿引起的电荷变化d q 主要来自于 量子阱和量子点中的载流子浓度变化，所以在一定的电压变化范围内电容值变 化很小，c v 曲线中会出现个比较明显的电容平台【9 ，经过计算可以得到载 流予浓度空间分布的曲线，进而可以获得量子区域的空间位嚣。所以c - v 法能 够直观的表征量子系统的限制效应，定性的验证半导体的结构。在本文中主要 用c - v 法来确认样品的生长结构，表征s i 中的g e 量子点的量子限制效应，并 一2 锗硅双层量了点的电学特性研究 为其它的测试手段如深能级瞬态谱、导纳谱等提供必要的实验参数。 1 2 2 导纳谱( a d m i t t a n c es p e c t r o s c o p y ) 导纳潇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 【l o 。存量子阱中载流子的热发射率为： e p = a o - t i 2 e x p ( 一告) ( 12 ) 由j 二不同温度、不同频率下样品的电导电会发生变化，这样，在某一固定频率 下扫描温度，当温度变化使得缺陷能级中载流子发射率与外加测量频率相一致 叫，结构电导出现峰值。根据在不同的频率下测量电导随温度变化的曲线即可 求得歃陷能级的位置。 1 9 8 7 年，dv l a n g 等人【1 1 】将此方法移植到半导体超晶格的能带偏移的测 量中，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 e t a r t r e 【1 2 】 和k n a u k af 1 3 等人明确提出了超晶格和量子阱的等效电路模型。 张胜坤等又成功的将导纳谱方法引入到量子点的研究中 1 4 】，同时，他们也 对导纳谱进行了一些改进，如单频导纳谱 1 s 、频率扫描导纳谱 1 6 、光导纳谱 1 7 】等。他们利用费米一狄拉克方程和载流子热平衡条件所推导出的量子点电 导的表达式为 g 如，= 口，盯，t e r ( 1 3 ) 由等效电路模型【1 3 及系列等式推演，可以由l n ( c o t ) 1 k t 的斜率得到 蹙予点中各分立能级的位置。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。对掩埋于s i 中的g e 量子点作变偏压的导纳谱测试，可以 观察到很强的导纳信号，并揭示了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量子点中量子限制 效应的有效手段。 本文主要利用热发射模型束研究量予点样品，借助于v i n c e n t 等8 1 提出的 电导、电容表达式，得到相应的能级结构。 1 2 3 深能级瞬念谱( d l t s ) 一3 一 锗硅双层量予点的r 匕学特性研究 1 9 7 4 年，d v l a n g 首次提出了深能级瞬态谱 2 9 1 ，用于检测半导体材料中 的深能级缺陷的。其基本原理如下：当在肖特基接触的半导体样品上加脉冲 电压时，处于禁带中的深能级会填充载流子；当回复至静置电压时，深能级上 的载流子会以一定的发射率e 随时f h j 拮 数衰减地发射至导带或价带边，随着空 m 电荷区的变化，结构电容也会以相同的变化规律发生瞬变。由于深能级上载 流子的发射率e 可以表达为 p = a t 2 e x p ( 一杀) ( 1 4 ) 式中口是与温度无关的常数，e ，是缺陷上载流子发射的激活能，即缺陷能级离 导带或价带边的距离。根据不同温度下测量所求得的发射率，可以利用i n ( e t 2 ) 1 k t 的直线关系的斜率得到缺陷能级的位置。 n d e b b e r 等人【2 0 于1 9 8 9 年发现量子阱中载流子发射率e 。也遵循( 1 4 ) 式类 似的关系 气= t i n e x p ( 一等) ( 1 5 ) 因此，他们很快想到了把d l t s 用于量子阱材料中，并成功地观察到了 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及能带偏移。 随后，d b i s w a s 等人【2 1 和李先皇等人 2 2 分别应用d l t s 技术测量了 g “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 g 2 3 等 人还探测到了i i 型a 1 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 方法还被朱建红等人 2 4 成功地应用于研究6 掺杂s i 量子阱。但实验中发现并 非所有地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 等 人 2 5 指出，由于量子阱中载流子的横向散射效应和量子阱附近局域电场的影 响，载流子很容易地在发射至阱顶之前就从侧向逃逸。因此，d l t s 方法只适 用于低迁移率的量子阱样品。 但对于量子点并不存在上述问题，因为其载流子的运动在空间三个方向上 都受到了约束，又由于其载流子发射率与温度的关系与( 1 4 ) 、( 1 5 ) 式类似【1 4 】， 所以d l t s 可以说是一种很有效的研究量子点的工具。正如前面所说，多个载 流子被限制在量子点这样一个很小尺度的空间里，那它们之间的库仑相互作用 就会很强。本文研究双层量子点中载流子的俘获和发射过程，通过计算得到的 一4 锗硅双层量子点的电学特性研究 激活能及观察到的库仑荷电效应，解析了量子点的能级结构，并研究了其双层 量子点间的相互作用。 参考文献： 1 】l e s a k ia n dr t s u ，i b 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 t t ，1 9 ，4 6 7 ( 1 9 7 1 ) 3 v o nk l i t z i n gk ，d o r d ag ，p e p p e rm ，p h y s r e v l e t t 4 54 9 4 ( 1 9 8 0 ) 【4 】4 t s u id c ，s t o n n e r h l ，g o s s a r da c ，p h y s r e v l e t t 4 81 5 5 9 ( 1 9 8 2 ) 【5 】l a u g h l i nr ，b ，p l a y s r e v b2 35 6 3 2 ( 1 9 8 1 ) 6 r e e dm a ，b a t e r t ，b m d s h a wk ，d u n c a nw m ，f r e n s l e yw m ，l e ej w ， s m i t hh d ，j v a c u u ms c i t e c h n 0 1 b43 5 8r 19 8 6 ) 7 卢嘉，m t i n k h a m ，物理，2 7 ，1 3 7 ( 1 9 9 8 ) 8 夏建白，物理，2 7 ，1 4 1 ( 1 9 9 8 ) 9 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 ，毗n s o l i df i l m s6 53 6 9 ( 2 0 0 0 ) 1 0 d ，l l o s e e ，a p p l p h y s l e t t 2 15 4 ( 1 9 7 2 ) 【11 d vl 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 ，r a h a m m ，a m s e r g e n ta n d wt t s a n g ，a p p l v h y s l e t t 5 07 3 6 ( 1 9 8 7 ) 【1 2 x l e t a r t r e ，d s t i e v e n a r d ，m l a n n o oa n dd l i p p e n s ，j a p p l p h y s ，1 811 6 ( 1 9 9 0 ) 13 1k 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 ，j l h o r ta n dj f g i b b o n s ， 6 01 9 5 ( 1 9 9 2 ) 1 4 】s k z h a n g ，h j z h u ，el uz m j i a n ga n dx w a n g ，p h y s r e v l e t t 8 0 3 3 4 0 ( 1 9 9 8 ) 5 】f l u ，j y j i a n g ，h h s u n ，d 。w g o n ga n dx 。w a n g ，j a p p l p h y s 7 5 2 9 5 7 9 9 4 ) 6 l f m a r s a l ，j m l o p e z v i l l e g a s ，j b o s h ，j a p p l p h y s 7 6 ，10 7 7 ( 19 9 4 ) 7 】f l u ，s q w a n g ，h j u n g ，z q z h ua n dt a k a f u m iy a o ，j a p p l p h y s 8 1 一5 一 j 塑童翌堡j ! j 追坠! 兰堑丝堡塑 2 4 5 5 ( 1 9 9 7 ) 1 8 gv i n c e n t ，d b o i s ，a n dr p i n a r d ，j a p p l p h y s 4 6 5 1 7 3 ( 1 9 7 5 ) 19 d v l a n g ，j a p p lp h y s 4 5 ，3 0 2 3 ( 19 7 4 ) 2 0 n d e b b e r ，d b i s w a s ，a n d p b h a t t a c h a r y a ，p l a y s r e v b 4 0 1 0 5 8 ( 1 9 8 9 ) 【2 1 d b i s w a s ，n d e b b a r ，p 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 fa n df ，o m n e s a p p l p h y s l e t 5 6 ，8 3 3 ( 19 9 0 ) 2 2 】李先争，陆畸，孙恒慧， 物理学报，4 2 ，1 1 5 3 ( 1 9 3 3 ) 2 3 1q s z h u ，z q g u ，z t z h o n g ，z ，q z b o ua 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 4 】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 vb 5 4 ，2 6 6 2 ( 1 9 9 6 ) 2 5 k s c h m a l z ，i tn ty a s s i e v i c h ，e jc o l l a r ta n d d j g r a v e s e l i n ，p h y s ，r e v b 5 4 ，1 6 7 9 9 ( 1 9 9 6 ) _ 6 锗硅双层量了点的r u 学特性研究 第二章用深能级瞬态谱( d l t s ) 研究g e s i 双层量子点的电学特性 21 引言。 近年来，量子点由于呈现出一系列新的有趣的物理现象而备受关注 1 ，2 1 。 人们发现，自组织生氏的量子点能够做成低闽值的激光器，而且不随温度改变 而改变。但是由于量子点基态发光的增益不高，同时量子点尺寸的不均匀性导 致了激光光谱的线宽增宽，使得人们开始转向多层量子点 3 5 】。垂直准直的多 层量子点不仅在器件的性能上有很大地提高 6 8 】，同时能够揭示量子力学中的 耦合现象【9 ，对基础物理研究有着至关重要的作用。一些研究组已经研究了多 层量子点在结构上的变化，他们指出这种堆积的量子点的电学特性上有很大影 响，比如由于耦合或隧穿作用而导致的红移现象( 与单层量子点比较) 6 , 7 ，1 0 一1 3 】。r p r o v o o s t ( 1 4 】等已经在高磁场下对三层i n p 量子点进行了研究， 并指出当层间间隔层小于4 n r n 时，量子点层间耦合很强烈。然而还没有人用 d l t s 方法来对量子点的耦合效应进行研究。d l t s 被人们认为是一种有效的研 究深能级中心或量子结构的方法，通过改变偏置电压与脉冲电压，可以十分有 效控制在量子点中一定能量范围内俘获载流子，并检测它们发射时所对应的激 活能。通过改变脉冲电压的宽度，可以精确控制在量子点中俘获的载流子的数 目，从而可以研究量子点中的耦合以及隧穿等效应。 在本文中，主要利用d l t s 方法研究g e s i 双层量子点的电学特性，对层间 间隔层厚度分别为4 5 n m ，6 n m ，7 5 n m 的三块样品进行一系列电学测试，通过研 究他们中空穴的俘获过程，解析出他们的能级结构以及层间的耦合作用。 2 2 原理 2 2 1d l t s 测量量子点中载流子发射的原理 图2 1 给出了在d l t s 测量中所采用的样品结构示意图，其中包含了两层量 子点，样品正面蒸铝形成肖特基接触，背面是欧姆接触。在实验测量中，样品 两端加个如图2 3 所示的脉冲电压，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，如图2 2 中实线、虚线扫过的能级。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 锗硅双崖量子点的电学特住研究 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，这! ： ! 。l 是量子点中第1 个能级上的空穴发射率，可以表示为【1 5 p ，= 4 c r t 2 e x p ( 一e a ，k t )( 2 1 ) 图2 1 样品的结构示意图 图2 2 样品在脉冲期间的价带图以及脉冲前后费米能级的相对位置。 实线表示脉冲期间费米能级的位置，虚线表示反向偏压时费米能级的 位置 一8 一 锗硅双层量予点的电学特性研究 j lij r v 1 胪。旷7 c ( o ) 图2 3 样品偏置电压及相应的瞬态信号 ( a ) s f n g l ep e a k( b ) m u l t i p l ep e a k s 图2 , 4 d l t s 谱的叠加 式中a 是一个与温度无关的常数，e a i 是量子点中量子化能级e l 到s i 价带边的 距离t 盯是该能级的俘获截面。在量子点中e l 包含了空穴的激活能以及空穴之 圆。 锗硅双层量子点的i u 学特性乱儿究 f 刚强烈的库仑相互作用能。由于空穴的发射，导致样品的势垒电容c ( t ) d a u q 问 常数f = l e ，指数衰减，可以表示为6 c ( t ) = a c ( 0 ) e x p ( 一二) ，在瞬态 l l 容曲线上 f 任意取两个取样时间t l 和t 2 ，则两点的瞬态电容差值可以表示为 s = a c ( o ) e x p ( 一r ) 一e x p ( 一f 2 f ) 】 ( 2 2 ) 改变温度，则可以得到完整的d l t s 信号，如图24 ( a ) 。该信号在峰值处满足极 值条件 e ，= i n ( t 2 f 1 ) ( t 2 一t 】) ( 2 3 ) 如果改变率窗值，就可以得到一组e r v t 的数值，所以e a z 可以从直线关系 l n ( e i t 2 ) l k t 的斜率中获得。 由于实际样品中，一个能级可能被多个空穴占据，库仑效应会使其能量状 态发生变化，在d l t s 谱上就表现为峰位朝低温方向移动 1 6 】。对单层量子点来 说，费米能级所扫过的浅能级增多时，d l t s 谱峰也会朝低温方向移动，反之， 费米能级所扫过的深能级增多时，则向高温移动。因此，我们可以通过改变脉 冲宽度的方法来控制能级俘获空穴的多少，通过改变反向偏压和脉冲电压来调 节费米能级所扫过的能级位置，以观察d l t s 谱峰位的移动。 空穴发射时有时涉及到几个能级同时发射。如果这几个能级位置相差很远， 所探测的d l t s 信号中就会有多个峰出现；如果这几个能级位置靠的很近，所 探测的d l t s 信号就会是这几个能级的叠加，其过程可用如图2 4 ( b ) 表示。我们 则根据改变能级的不同参数进行模拟，得到几个能级的信息。 2 2 ，2 双层量子点相互作用与间隔层厚度的关系 双层量子点间的相互作用强烈地依赖于间隔层的厚度。当两层量子点问隔 很近时，如图2 5 ( a ) 所示他们空穴的波函数有很强的相互作用甚至重叠产生较强 的耦合效应，使得两层量子点共享相同的能级结构，可以说，一层的量子点可 以畅通无阻的进入另一层，我们可以认为两层量子点已经耦合成为一体了。这 样，在测试过程中，我们所观察到的空穴的行为跟单层量子点的类似，出于库 仑效应及耦合效应，d l t s 谱峰位随着脉冲宽度的增大而逐渐向低温方向移动。 当两层之间的白j 隔层厚度增加时，他们的波函数之间的相互作用的耦合效 应也逐渐减弱( 如图2 5 ( b ) 所示) ，但是在一层量子点中的空穴还是有一定的几率 一i 移。 锗硅双层量予点的l t z 学特性研究 ( a ) 国7 国 ( c ) 图2 5 双层量子点相互作用随间隔层厚度的变化 隧穿到另一层。这时，我们在实验测试中所看到的现象就不再是d l t s 谱峰单 一地朝某一个方向移动了。在脉冲开始，空穴会被某一层量子点俘获，随着脉 冲时阳j 增加，他们就有一定地几率隧穿到另一层相应的能级上，然后在脉冲过 后发射至价带顶。在库仑效应和隧穿效应的共同作用下，增大脉冲宽度，d l t s 谱峰位的移动就会很复杂，取决于这两层量子点中能级的位置。 如果间隔层增至足够厚，导致他们波函数间的相互作用非常微弱( 如图2 5 f c l - 一l i - 锗硅双层量了点的电学特性研究 ( a ) 图2 6 ( a ) c - v 测试连接图和( b ) d l t s 测试图 锗硅双层量子点的1 乜学特性研究 所示) ，以致可以忽略不计，那么这两层量子点就单独的俘获和发射空穴，对于 每层量子点，只有库仑效应在起作用。 2 3 实验 2 3 1 实验装置 如图2 6 ( a ) 是c v 测试的连接图，将样品两端接入h p 4 2 7 5l c r 仪器的输入 端，而脉冲发生器h p 8 1 1 6 电压信号的输出端分别连接到h p 4 2 7 5 的外接偏置 电压的输入端与h p 8 8 4 0 数字多用表的输入端。在测试时，首先将测试的电压 范围及电压间隔等参数输入至计算机，然后通过计算机控制h p 8 1 1 6 不断改变 输出电压，并从h p 4 2 7 5 读入相应的电容c 及电导g 的数值。由于h p 8 1 1 6 输 出电压会随外界负载的变化而略有变化，因此计算机从h p 8 8 4 0 中读入加在样 品上的实际电压，这样，每读一组数据后就会在计算机屏幕上显示c v ，1 ( 2 2 - v ， n v ，i v 曲线。 图2 6 ( b ) 为d l t s 测试连接图，样品接在b o o t o n 7 2 b 电容仪上，计算机控制 h p 8 1 1 6 a 脉冲函数发生器发出脉冲电压信号，通过b o o t o n 7 2 b 加载于样品上， 并同时触发8 5 2 0 a 数字多用表自动以相同的时间间隔从b o o n t o n 7 2 b 上读入瞬 态电容信号，并将信号存储在其内部的存储单元中，当8 5 2 0 a 记录完一条瞬态 电容曲线后，再将所有数据传给计算机。同时，计算机还从8 8 4 0 a 中读入反映 当前样品温度的热电偶电压。接着，计算机控制h p 8 1 1 6 a 发出下一个脉冲电压， 如此反复，直到整个温度扫描结束。在整个测试过程中，计算机可在屏幕上实 时显示所读入的每一条瞬态曲线以及任意多条不同率窗的d l t s 信号谱。为了 能有效地检测微小变化的瞬态电容，通常在b o o t o n 7 2 b 电容仪的另一差分输入端 接入固定电容以屏蔽样品的本底电容。 2 3 2 样品制备 实验所用的三块样品是在电阻率为0 1q e m 的p 型0 0 0 ) s i 单晶衬底上用 分子束外延的方法生长的。图2 1 给出了该双层量子点样品的示意图。样品a 和b 是在衬底温度为5 0 0 ( 2 时生长了厚度为2 0 0 n m 的s i 缓冲层，然后分别生长 2 层g e 量子点，第一层量子点的g e 的沉积量为1 4 n m ，第二层的沉积量为1 3 n m 。 1 3 锗硅双层量子点的电学特性研究 最后，样品上覆盖了厚度为3 2 0 n m 的s i 覆盖层。样品c 的生氏条件和样品a 、 b 的一样，只是它两层量子点的沉积厚度都为1 4 n m ，它的覆盖层厚度为5 0 n m 。 三块样品a 、b 、c 间隔层的厚度分别为4 5 n m 、6 0 n m 、7 5 m a a 。所有样品的 s i 层掺b 浓度约为2 + 1 0 1 6 c m 一。由于实际生长过程中，第二层量子点或多或少 地受第一层量子点应力的影响，使得其浸润层比较薄，因而在相同的g e 沉积 量下，其量子点会比第一层大。 所有的样品正面蒸小铝点( 直径约为l m m ) 形成肖特基接触，背面蒸铝形成 欧姆接触。 2 4 实验结果及讨论 2 4 1c v 测试结果及讨论 图2 7 是测得的三块样品的c v 图。在这个图中，使用了两种不同的坐标， 因为样品c 的覆盖层厚度比较小，导致其所测电容比较大。不难看出，对于每 一条曲线，都有很明显的平台，表征出量子点中存在空穴积累 1 7 。双层量子 点间隔层越薄( 样品a ) ，电容平台越宽，说明它俘获的空穴数也越多。这可能 是由于间隔层越薄，第二层量子点受到的应力就更大，因而点也就越大，所俘 获的空穴的数目也就增多了。 v o l t a g e ( 、，) 圈2 7 样品a 、b 、c 在频率为1 m h z 时测得的c v 曲线。其中，a 和b 是用左边的坐标。c 根据右边的坐标 _ j 聋- 锗硅双层量子点的电学特性研究 根据图2 7 的a 曲线可以得知，当样品a 上所加电压为0 v 时，肖特基势垒的 耗尽层基本上已经扩展到量子点层的边缘，此时，量子点还被空穴占据 进一 步加大反向电压，耗尽层进一步扩展，量子点中的空穴逐渐开始发射；当反向 电压增至4 v 时，几乎所有的空穴都被扫出量子点。样品b 和c 也可以如此类 推。因此，我们可以根据相应的c 。v 曲线，确定d l t s 测量时所要加的反向电 压和脉冲电压。 2 4 2d l t s 测试结果及讨论 2 4 2 1 固定脉冲电压，改变反向偏压 如图2 8 是三块样品在固定脉冲电压，改变反向偏压所测得的d l t s 谱，其 中脉冲宽度为l m s ，观察率窗为h = 2 0 m s ，t 2 = 1 6 0 m s 。不难看出，随着反向偏压 的逐渐增大，d l t s 谱逐渐增宽。谱峰也逐渐向高温方向移动，谱峰的高度先 增大后减小。在d l t s 测试过程中，在脉冲电压期间f v = o ) ，样品的能带图如图 2 2 实线所示，量子点中费米能级以上的能级被空穴占据，在脉冲过后的反向偏 压期间，能带向下弯曲，对于量子点层而言，费米能级向上移动( 如图2 2 虚线 所示1 。此时，在费米能级以下的那些空穴将向外发射产生d l t s 信号。因此， 在实验中所测的d l t s 信号，就是脉冲电压与反向偏压变化过程中，费米能级 所扫过的那些能级上空穴发射所产生的信号。这样，当脉冲电压固定，增大反 向偏压时，费米能级所扫过的深能级增多，发射的空穴也就增多，所以所测的 d l t s 谱会变宽变高，面且向高温方向移动。 一般情况下，如图2 9 ，锗量子点中空穴发射到硅价带顶。当反向偏压增大 至一定电压后，由于能带的弯曲，使得势垒发生变化，这时会有一部分空穴( 如 图2 9 ) 直接通过隧穿进入硅价带而不是发射至s i 价带顶。从而使得所测到的 空穴减少，这就是在一定反向偏压后d l t s 峰峰高度变小的原因。 对图2 7 ( a ) 进行分析可以初步判断出，当反向偏压仅为0 5 v 时，所得到的 d l t s 信号应为一个空穴从一个能级上发射所产生，当反向偏压增大到1 v 时， 费米能级将向上移动，使更深的能级也进入到测试范围。d l t s 谱峰的宽度将 向高温处扩展并且峰高增加，根据信号峰增高及增宽的比例，显然对应的是二 个空穴从两个不同能级上发射所产生的信号的叠加。继续增大反向偏压一1 ，5 v 、 锗硅双层量了点的也学特性研亢 t 6 锗砖双坛量了点的电学特性研究 罂 9 c ，) ( ，) 三 口 t e m p e r a t u r e ( k ) ( c ) 图2 8 固定脉冲电压改变反向偏压的d l t s 谱，脉冲宽度为l m s 。( a ) 样品a ( b ) 样品b ( c ) 样品c h o l ee m i s s i o n 图2 9 量子点中空穴的发射和隧穿 e l i n g 1 7 锗硅双层量子点的f u 学特性研究 2 v 时，费米能级扫过的能级进一步增加，根据d l t s 信号峰的宽度增加的大 小，至少检测到了三个空穴从三个不同能级上发射。另一方面从图中还可得出， 当反向偏压大于一1 5 v 后，隧穿效应随反向偏压的增大而增强，使d l t s 谱峰的 高度随反向偏压的增加反而变小。这样，在一定的反向偏压和脉冲电压下，可 以初步判断费米能级扫过了几个能级，并为改变脉冲宽度实验条件的选择以及 理论模拟计算提供了依据。对于样品b 与c 实验结果也可做类似的分析。 2 42 2 固定反向偏压，改变脉冲电压 图21 0 是在固定反向偏压，改变脉冲电压情况下测得三块样品的d l t s 谱， 观察率窗为h = 2 0 m s ，t 2 = 1 6 0 m s 。随着脉冲电压与反向偏压的变化幅度增大， d l t s 谱逐渐变宽变高，谱峰逐渐向低温方向移动。这是因为，随着脉冲电压 变化幅度增大，费米能级所扫过的浅能级变多，所以其谱峰峰位向低温方向移 动。由于发射的空穴变多了，d l t s 谱同样会变宽变高。 对样品a ，根据前面所分析的结果，得知当反向偏压v r = 2 0 v , 脉冲电压 v p = 0 v 时，费米能级共扫过三个能级，如果将脉冲电压设置为1 v 时，三个能 级中最浅的能级将处于测试范围之外，此时测量得到的是较深二个能级上空穴 发射的信号。如果将脉冲电压设置为一1 5 v 时，则只能测量最深一个能级上空穴 发射的信号。因此，对于样品a 可综合这两种不同的测量方法，通过改变反向 偏压与脉冲电压，调节费米能级扫描的范围，直接测量得到某些特定能级。 对于样品b 与样品c 由于其能级结构比较复杂，仅用这两种方法还很难确 定能级位置，还必须要结合改变脉冲宽度的实验。 2 4 2 3 固定反向偏压和脉冲电压，改变脉冲宽度，观测量子点中空穴被俘获过 程 i 样品a ( 间隔层厚度为4 5 n m ) 图2 1 l 是在两个不同反向偏压的情况下，改变脉冲宽度，测得的样品a 的 d l t s 谱，观察率窗为h = 2 0 m s ，t 2 = 1 6 0 m s 。与在单层量子点样品中所观察到的 现象相类似，随着脉冲宽度的增大，被俘获的空穴数增多，由于库仑效应使得 空穴占据的能级变浅，所以相应的d l t s 谱峰向低温方向移动【16 。 一轴- 锗硅双层量予点的电学特性研究 ( b ) - , i g - 锗硅双层量子点的电学特性研究 面 吕 丽 三 口 t e m p e r a t u r e ( k ) ( c ) 图2 ，1 0 固定反向偏压，改变脉冲电压的d l t s 谱，脉冲宽度为1 m s 。 ( a ) 样品a ( b ) 样品b ( c ) 样品c 为了进步进行分析这一过程，我们对所测的d l t s 曲线进行了理论模拟 计算。其计算过程为：首先对脉冲宽度比较小的单一能级的d l t s 谱峰进行模 拟计算，根据( 2 - 2 ) 式的极值条件r 。= o ：一t 1 ) l n ( t ：t 。) 可得到d l t s 峰值信号的 表达式， s 。= c ( o ) 【e x p “f 一一t 2 r 。) 】 ( 2 4 ) 其中，由d l t s 谱的实际高度可确定a c ( o ) ，结合实验计算出的如，和仃，代入( 2 1 ) 及( 2 2 ) 式即可模拟计算出单一能级的d l t s 谱图，模拟计算可以在不同的率窗 下进行。然后结合单能级的一些参数，再利用量子点的大小所推算出的库仑能， 就可以对脉冲宽度比较大的d l t s 谱进行多能级拟合。设定p i 为量子点第1 能 级上发射空穴