（凝聚态物理专业论文）锗硅量子环生长及其机制的研究.pdf

锗硅量子环生长及其机制的研究 物理堂系邋曩态堑理专业 学生姓名焦健指导教师整量筮教授 摘要 自组织量子环是一种新近才被发现的纳米结构它们是首先在i 【f v 族材料 中通过在量子点上覆盖。薄层的衬底材料得到的 我们首先在一定温度下在s i 0o o ) 衬底上通过在g e 量子点上覆盖一薄层的s i 得到了s i g e 自组织量子环原子力显微镜观察显示了从量子点到量子环的转变 在s i 覆盖层厚度小于2n m 时，量子点高度减少，底边长度增加在一定厚度的 s i 的覆盖条件下，量子点转变成了量了环本文分析讨论了这种从量了点向量子 环转变的机制我们认为，s j 的覆盖层使得量子点及其周围的应变重新分布应 变能以及6 8 0 高温下g e 的强烈的扩散在这个过程中起着重要的作用 从以上的结果出发，我们对温度以及覆盖层厚度很薄时对量子环形成的影响 进行了研究在覆盖前，我们制备了均匀性较好的穹形量子点原位的保持温度 增加了景予点的均匀性在较低的4 0 0 温度下，覆盖了o 3 2n m 和o 6 4n ms i 层后，除了大小稍微有些改变外岛依然保持穹顶形这时扩散和s i g e 元素的互 混被抑制了在较高的6 4 0 温度下。覆盖了几个原了层后，量子点从穹顶形转 变成了金字塔形穹顶形的岛在覆盖了o 3 2r i m 厚的s i 后，岛的底部呈矩形，。岛 成为由 0 3 ) 的晶面包围的金字塔状，而增加覆盖层到o 6 4n m 时，岛成为被指数 为 1 0 5 的晶面包围的金字塔状这表明g e 的扩散在通过覆盖形成量子环的过 程中是非常关键的因素掠入射x 射线衍射实验结果印证了这一结论 第一次观察到了由 1 0 3 ) 面围成的( 亚) 稳定的金字塔形岛通过对s i g e 体系 的 1 0 5 ) 和 1 0 3 ) 晶面的研究，我们认为这一( 亚) 稳定状态的出现与岛核心部分处 于应变状态，岛表面的s i g e 互混，g e 的表面偏析以及f 1 0 3 面的表面再构有关 a b s t r a e t r e c e n t l yan e wt y p eo fn a n o s t r u c t u r e s ，s e l f - a s s e m b l e dq u a n t u mr i n g s ( q r s ) ，h a s b e e ni n t r o d u c e d t h e yw e r ef i r s t l yo b t a i n e di n 儿i vm a t e r i a l sb yp a r t i a l l yc a p p i n g q u a n t u md o t s ( q d s ) w ed e m o n s t r a t et h es e l f - a s s e m b l e ds i g eq u a n t u m r i n g sg r o w n a ta p r o p e r t e m p e r a t u r eb yp a r t i a l l yc a p p i n go ng eq u a n t u md o t so ns if 0 0 1 ) t o rt h ef i r s tt i m e a t o m i cf o r c em i c r o s c o p yi m a g e ss h o wt h es h a p et r a n s f o r m a t i o nf r o mq d st oq r s i n i t i a lc a p p i n g ，w i t has il a y e rt h i c k n e s sl e s st h a n2t i m ，w i l lr e s u l ti nt h ed e c r e a s eo f h e i g h to fq d s a n di n c r e a s eo fb a s ed i a m e t e ro f q d s c a p p e d w i t hs il a y e ro fa p r o p e r t h i c k n e s s ，q d sw i l lc h a n g ei n t oq r s t h e m e c h a n i s mo f t r a n s f o r m a t i o nf r o mq d st o q r si sd i s c u s s e d t h es t r a i n w i l lr e d i s t r i b u t ea f t e rc a p p i n g ，t h u st h es t r a i ne n e r g y r e l i e f t o g e t h e rw i t hh i g hg e s u r f a c ed i f f u s i o na n dg es u r f a c es e g r e g a t i o na tar e l a t i v e h i g ht e m p e r a t u r eo f 6 8 0 。cp l a y st h ed o m i n a n t r o l e f o l l o w i n gw i t ht h e s ep r e l i m i n a r yr e s u l t s ，at h o r o u g h r e s e a r c ho nb o t ht e m p e r a t u r e a n dc a p p i n gl a y e rt h i c k n e s si n f l u e n c eo nt h eg r o w t ho fq r sh a sb e e nc a r r i e do u t b e f o r ep a r t i a l l yc a p p i n g ，h i g h l yu n i f o r m e dd o m e - s h a p e dq d sw e r eo b t a i n e di ns i t u t h e r m a lh o l d i n gi m p r o v e st h eu n i f o r m i t y a tl o wg r o w t ht e m p e r a t u r eo f4 0 0 t h e d o t sr e m a i nd o m e d s h a p ew i t has m a l lc h a n g eo fs i z ea f t e r0 3 2 n ma n do 6 4 n mt h i c k s i c a p p i n g i n t h i s s i t u a t i o n ，s u r f a c e d i f f u s i o na n de l e m e n t a l i n t e r m i x i n g a r e p r o h i b i t e d a th i g hg r o w t ht e m p e r a t u r eo f6 4 0 ( 2 ，c a p p i n gw i t haf e w s im o n o l a y e r s ， d o t sw i l lc h a n g ef r o md o m e st op y r a m i d s b y0 3 2 n mt h i c ks ic a p p i n g ，t h ed o t ss h o w r e c t a n g u l a r - b a s e dp y r a m i ds h a p ew i t hf1 0 3 f a c e t s ，a n db yo ，6 4n m t h i c ks ic a p p i n g ， t h ed o t sa r ew i t h ( 1 0 5 ) f a c e t s b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h eh i g hg e s u r f a c ed i f l u s i o ni sp r o p o s e dt ob eac r u c i a lf a c t o ri nt h ed o t ss h a p ed e v e l o p m e n tt o q r s w h e n c a p p i n g g r a z i n g i n c i d e n c e x r a y d i f f r a c t i o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o n f i r m e dt h i sc o n c l u s i o n ( m e t a ) s t a b l ep y r a m i d - s h a p e di s l a n d sw i t h ( 10 3 f a c e t sw e r eo b s e r v e df o rt h ef i r s t t i m e a f t e rc h e c k i n gt h er e f e r e n c e so n 1 0 5 ) a n d 1 0 3 ) f a c e t si ns i g es y s t e m ，w e p r o p o s e dt h a tt h i s ( m e t a ) s t a b l e s t a t ei s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h e l o c a ls t r a i na tt h e i s l a n d s ，s i g ei n t e r m i x i n g ，g es e g r e g a t i o na n dt h es u r f a c er e c o n s t r u c t i o no n 1 0 3 ) f a c e t s 1 1 纳米结构简介 第一章引言 随着技术的进步和小型化的趋势，半导体器件的尺度已经进入了纳米的量级， 而与此同时性能也得到了极大的提高由于尺度的变小许多与大块材料截然不 同的性质被发现这就对纳米量级的具有特定功能的新材料的获得提出了许多 新的挑战纳米结构由于其存电子，光学，光电子学，化学催化，磁记录等方面 的潜在的应用，而吸引了极人的关注其独特的性质和性能取决丁他们的尺寸， 结构及其之间的相互作用 纳米材料分为纳米结构材料和纳米颗粒材料两类前者是由纳米尺度的颗粒 组成的体材料，而后者是分散的纳米尺度的粒子纳米结构的材料目前主要有零 维的量子点，一维的量子线以及量子阱和超品格等用s i g e 材料制作的纳米结 构由于与现有的半导体工艺相兼容，因而对其的研究更具有可观的应用前景尤 其是对s i g e 纳米结构的发光性质的研究是实现光集成的很好的途径不同的纳 米结构由于被限制的维数不同而呈现出不同的电学和光学特质 l2 自组织量子点的生长 量子点是载流子或激了在三个方向上都存在量子限制效应的纳米结构由于 光刻和分子束外延技术的发展，目前有两种方法用来制作量子点一种是用光刻 的办法，在衬底上直接腐蚀出所需要的纳米结构这种方法完全依赖于光刻的光 源或粒子源性能另一种与光刻的方法不同的是采用自组织分子束外延的方法 生长的纳米结构这种方法避免了光刻程序对材料造成的损伤，在衬底上形成的 是完美的晶格；而且还避免了在纳米结构中引入其他的元素以及可能引入的晶 格的缺陷 采用自组织的生长方法，在半导体材料体系如g e s i ( 1 0 0 ) ，i n a s g a a s ( 1 0 0 ) ， 量子点形成的机制都是所谓的s t r a n s k i k r a s t a n o w ( s k ) 模式s k 的成岛模式与 外延层和衬底的晶格失配及外延层中的弹性应变能有着紧密的联系系统的总 能量在表面形成一层浸润层后达到最小值随后是外延层的二维生长这时总能 量与外延层的厚度成正比当外延层的能量增大到一定程度，新的表面产生，生 长过程从二维生长转变成三维的岛状生长由于能量的最小化，新的小面通常是 一些低指数的稳定表面 1 l t p l - ，对自组织的量子点的光电性质已经进行了很深入的研究，女光致发光， 电学性质，量子点相关器件的研究等 1 3 本沧文的主要丁作 在高温生长的g e 量子点 覆盖s i 层后得到了s i g e 量子环纳米结构通过原 子力显微镜及掠入射x 射线衍射技术，研究了在s i ( 1 0 0 ) j 2s i g e 量子环的形成机 制，分析了量子环在形成前的s i g e 的表面扩散，s i g e 互混和g e 偏析过程 本论文主要由以下四章组成 第一章引言 第二章锗硅分子束外延设备简介 第三章s i ( 1 0 0 ) 上的自组织g e 量子环的生长 第四章锗硅的表面迁移及互混在量子环形成中的作用 2 第二章锗硅分子束外延系统及纳米结构的表征技术 2 1 硅分子束外延系统的介绍 样品的生长是在一台型号为r i b e re v a 3 2 的超高真空s i 分子束外延系统中 进行的，其结构如图2 1 所示系统由进样室和牛长事组成两室之间通过超高 真空插板阀隔开 两窜的真空分别由两台离子泵维持此外两室还分别酉己备了两台钛升华泵用 来迅速提高真空室的真空度进样室内有一个双头的样品架，在其中一头安装了 加热系统。可以对样品进行预处理分子束外延过程是在生长室内完成的其中 装有一个可以加热的五维样品架，电子束蒸发器，掺杂束源炉，石英晶振测厚仪， s e n t i n e l l i i 真空淀积控制器，及反射式高能电子衍射仪( r h e e d ) 等，样品在进样 室和生长室之间的传递是通过一个磁力传样杆完成的 该系统的s i 源和g e 源是通过电子束蒸发实现的对应两个源配有两台电子 枪，电子枪发射的电子柬经1 0k v 的高压加速，再通过永久磁铁产生的偏转磁场 后轰击到源材料上，使其熔融蒸发在永久磁铁上又通过一个磁场线圈叠加了小 幅度的交变磁场，配合横向设置的电极使电子束在源材料上作周期扫描，使源中 心区域均匀加热 m o l e c u l a r b f - a m e p i t a x y s y s t e m r re v a ，2l 图2 ts i g e 分子束外延系统 3 及 此外系统还配备了若干掺杂源，如b 2 0 3 ，s b ，p 的掺杂源，但本论文并没有涉 2 2 用于分子束外延生长的清洁的硅表面的获得 要得到优质的外延膜，必须要有一一个清洁，有序，卜整的s j 表面为此我们用 s h i r a k i i 】的清洗方法来处理s i 衬底用化学方法对s i 衬底进行多次腐蚀，清除在 s i 表面的各种轻重杂质离子，同时对s i 表面进行化学抛光，最后在s i 表面形成 一层极薄的易于挥发的氧化层，利用该氧化层来保护衬底小受碳的粘污 具体步骤如下： 1 在h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 = 2 ：l 的溶液中煮沸3 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 2 在纯h n 0 3 中煮沸3 - 5 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 此步骤反复2 次 3 在n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：1 5 ：4 溶液中煮沸3 - 5 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 4 在h c i ：h 2 0 2 ：h 2 0 3 ：1 ：1 的溶液中煮沸5 分钟 经过化学清洗过的样品装入进样室后，由涡轮分子泵从大气抽至1 0 6 t o r r 附 近，再由离子泵将进样室抽至1 0 。7t 0 r r 左右这样在保证生长室的超高真空不被 破坏的条件下，能够快速迸样及进行样品的预处理然后在进样室将样品加热至 3 0 0 并保持3 分钟( 使表面吸附的各种杂质气体脱附) ，然后由磁力传样杆送入 生长室 在生长室中，将样品加热到1 0 0 0 ，并保持1 0 分钟，使表面的s i 0 2 层蒸发掉， 从而获得清洁有序的s i 表面这时真空度应好于1 0 - 8 t 0 n 如果这时进行r h e e d 观察，对s i 0 0 0 ) 面而言，r h e e d 图样显示出对比度较好的( 2 1 ) 再构，如图2 2 所示 经过这样的化学处理和热处理后的硅片就刨以进行外延生长了一般在生长 所要求的结构之前要外延一层较厚的缓冲层，这样就可以使表面结构更加平整 4 并减少缺陷密度从图22 删察，r h e e d 图像的衍射条纹长度在生长缓冲层后明 显变短，说明表面的平整度有了提高 2 3 纳米结构的表钲技术 下面简p 介绍下几利叫备要用到的主要的纳米结构的表征技术 ( 1 ) 原子力湿微镜( a f m ) 原子力显微镜是一利i 剥样品表丽形貌进行分析的手段它利用针尖与样品表 面的相可作用来获得表面的形貌特征针尖大多由s i 或s i 3 n 。制作而成针尖位 于悬臂的一端通过压电陶瓷，驱动针尖与样品表面接近针尖尖端原子与样品 表面原予既存在相互吸引的v a l ld e rw a a l s 力又有由于p a u l i 不相容原理引起的排 斥力当a f m 在斥力下扫描，则为接触模式；在引力下扫描，则为非接触模式 在扫描过程中保持这种力的恒定或保持针尖与样品距离恒定，利州光学检测法 可以测得针尖剥虑于扫描的各个位置的变化，从而获得表面形貌的信息我们在 实验中所采t j 的原子力显微镜的型号为p 4 7 s p m m d t , ( 2 ) 反射式高能电子衍射仪( r h e e d l 反射式高能电子衍射是一种可以原位观察单晶表面原子结构的实验手段当 一束能量为1 0k e v 的r 毡子束掠入射到样品表面上，电予受到固体表丽原了的散 射对于晶体，清洁表面的原子是有序的，如同入射光受到光栅的衍射一样，入 射的电子受到表面原予的衍射，被散射的电子在满足l a u e 方程的条件的方向上 出现衍射强度的极大利用r h e e d 图样可以大致了解样品表面的一些情况【”， 对于理想的s i o o o ) 面而言，r h e e d 图样通常为线状( 2 x1 ) 再构根据衍射条纹的 亮度，明锐度和衍射斑的形状，可以推测s i 衬底表面是否有序与平整如果样品 表面不完全平整，如存在小岛等，高能电子束也可以透射而产生三维衍射效应， 使r h e e d 线条断裂为分立的点而当样品表面成岛情况严重时，在衍刺图样巾 的衍射斑点会在小面的法线方向略有伸| 支，使衍射图样呈“v ”状凼此在实验中 可以通过r h e e d 图样来判断样品表面的平整度 5 图2 2 ( a ) s i ( 1 0 0 ) 衬底刚经过真空中热处理后的( 2 】) r h e e d 图样， ( b ) 6 5 05 c 生长j 5 0 n m 硅缓冲层后的( 2 i ) r h e e d 图样 ( 3 ) 掠入射x 射线衍射( g i x d ) 掠入射x 射线衍射技术将x 劓线在小角时的全反射现象和b r a g g 衍射结合【3 _ 7 图2 3 掠入射x 射线衍射光路示意图 6 在一起，可以用来探测薄膜和多层膜中的应变1 9 1 和表面粗糙度，1 9 1 甚至用来对表 面再构进行研究 由于采用了掠入剁的配置，如图2 3 所示，x 射线的穿透深度大大减少，即从 1 - 1 0 9 r e 减少到了i 一1 0 n m ，因而这一技术对于表面是非常敏感的这种技术可以 用于剥表面外延生氏的纳米结构的应变进行研究进而可以确定其成分特征，从 而对其的电学特性的理解提供依据 7 参考文献： 1 al s h i z a k aa n dys h i r a k i ，j = e l e c t r o c h e ms o c1 3 3 ，6 6 6 ( 1 9 8 6 ) 2 】b a j o y c e ，j h n e a v e ，pjd o b s o n ，a n dek l a r s e n ，p 协坦尺“b2 9 ，8 1 4 ( 1 9 8 4 ) 3 】a l g o l o v i n ，r m i m a m o v ，a n ds as t e p a n o v ，a c t ac r y s t a ，4 0 ，2 2 5 ( 1 9 8 4 ) 【4 h d o s c h ，b w ，b a t t e r m a n ，a n dd c w a e k ，p h y sr e v l e t t 5 6 ，11 4 4 ( 1 9 8 6 ) 5 5n b e r n h a r d ，“以z p h y s b ，6 9 ，3 0 3 ( 1 9 8 7 ) ， 【6 t j a c h ，p l c o w a n ，q s h e n ，a n dm jb e d z y k ，p h y sr e vb ，3 9 ，5 7 3 9 ( 1 9 8 9 ) 【7 】e a k o n d r a s h k i n a ，e l a l ，ja p p l 尸枷8 1 ，1 7 5 ( 1 9 9 7 ) 【8 】8w c m a r r a ，p ，e i s e n b e r g e r ，a n day c h o ，j ：a p p lp h y s5 0 ，6 9 2 7 ( 1 9 7 9 ) 【9 】s k s i n h a , e b s i r o t a ，s g a r o f f , a n dh bs t a n l e y ，_ p 枷r e vb3 8 ，2 2 9 7 ( 1 9 8 8 ) 【1 0 】p e i s e n b e r g e ra n dw c m a r r a ，j d mr e v l e t t 4 6 ，1 0 8 1 ( 1 9 8 1 ) 3 1 量子环简介 第三章s i 0 0 0 ) 上自组织生长的锗硅量子环 随着半导体器件向小型化发展，器件尺度的减小，电子器件的量子效应越来 越明显半导体纳米结构有许多新奇的特性，以这些特性为基础的器件被设计生 产出来了，比如量子点激光器，单电子晶体管等这样半导体纳米结构就成为在 小尺度下研究的主要对象许多纳米结构已经被广泛地研究，比如量子点量子 线，超晶格等自组织生长的量子环纳米结构是一种新近被发现的纳米结构， 1 9 9 7 年，j ，mg a r c i a 等通过在o a a s ( 1 0 0 ) 衬底r 生长的i n a s 量子点卜覆盖r 薄层 的g a a s ，首次得到了自组织的量子环结构川2 0 0 3 年tr a z 等在i n p 衬底上的 i n a s 量子点上覆盖l n p 薄层也得到了量子环结构1 2 1 这些都是在i i i v 半导体材 料中使用分子束外延的方法得到的 随着自组纵生长的量子环被发现，对其物理特性的研究也很快地展开，如通 过电容谱的测量得到不同磁场强度下的基态能级，i 不同电子填充状态下的光致 发光谱的研究1 4 1 3 2s i 生长速率的定标 m b e 外延生长的厚度与多种因素有关，如蒸发源的加热是否均匀，衬底的状 况以及膜厚控制仪参数的设定由于本论文主要研究的是s i 覆盖层对g e 量子点 图3 1 厚度校正用样品结构示意图实验其中g e 层设定的厚度为 8 a ，s i 层设定的厚度为2 0 0a ， 9 覆盖的影响，精确控制的s i 的厚度就成为实验的一个重要参数为此我们采用x 射线小角衍射的方法来确定实际生长的薄膜的厚度与仪器设定的膜厚参数之间 的关系 为此我们生长了如图3 i 所示结构的样品其中起到反射x 射线作用的g e 层的厚度是8a ，膜厚控制仪设定的s i 的淀积厚度为2 0 0a x 射线小角衍射实验 的x 射线源是c u 的k a 线，其波长是护1 5 4 a 在0 2 0 模式下扫描得到了薄膜 的衍射强度随角度的衍射强度的分布，如图3 2 所示 由于x 射线在固体中的折射率n 略小于l ，【5 1 因由简单的布拉格公式在这里 不适用应用s n e l l 折射定律可以计算出经过薄膜折射后出射的光线和经过表面 反射的光线的光程差址，得到式( 3 1 ) 在衍射极大值的情况下= m 2 x 射线 在固体中的折射率可以用式( 3 - 2 ) 和( 3 3 ) 计算得到旧这里r e 是电子的经典半径， 为原子数密度，z + 讥是原子散射因子，对于s i 为1 4 2 4 4 + 0 3 3 0 i 6 1 由于j 很 小，因而( 3 1 ) 中的二次项可以略去对于s i 和c u 的k a 线可以通过计算得出 j = 7 5 7 x 1 0 - 6 址= 2 d x s i n 20 2 8 + 占2 ( 3 1 ) 口 3 砸 、_ 一 套 丽 亡 。 三 2 0 图3 2x 射线小角衍射强度分布图a f 分别是6 个衍射峰的位置 l o ”= 1 一万一i 口 占十i 声= 旯2a f2 ( 一+ 讥) 2 n ( 3 - 2 ) f 3 - 3 、 从图3 2 可以确定衍射峰a f 用a f 点计算光程差可以得到图3 3 的 a l 2 d 关系，由式( 3 1 p r 知a l 2 d m 应为线性关系通过线性拟合得出其斜 率为k ：1 9 2 10 由于k ：五2 d ，由此u r 得, ：- - 4 0 1a 这样实际生长的膜厚与 仪器设定值之问的比值大致为2 ：1 本论文以后提到的s i 的厚度都足经过这样换 算后的实际厚度 m 图3 3i | i 圈3 2 a fj _ 作三2 d 关系图，实线为线性拟台绌果 3 ，3 量子环的样品的制备及其测试结果 量子点和量子环的生长是在超高真空分子束外延系统( r i b e re v a - 3 2 ) 中进行 的系统的背景雎强小于5 1 0 1 0 t o r r 衬底采1 j 的是电阻率i - 1 0q c m 的p 型 s i ( 1 0 0 、抛光片经过s h i r a k i 方法化学处理! 过的衬底在生长室i 。t 在1 0 0 0 。c 加热l o 分钟s i 衬底表面起保护作用的氧化膜被蒸发搏了，从而得到了清洁的表丽然 后衬底温度降到7 0 0 。c 苗。先牛长了5 0n m 厚的s i 的缓冲层，牛长输率是o 0 8 n m s 量子点的生长采用的是i j _ j 步法的牛k 方法，这样的做法提高了量了点的尺 图3 4g e 量子点和覆盖了不同厚度的s i 层的量予点的a f m 图覆盖 层的厚度分别为o 0 n m ( a ) ，10 n m ( b ) ，1 6 n m ( c ) ，26 n m ( d ) ，40 n m ( e ) ， 1 0 0 n m ( f ) 覆盖层生长温度为6 8 0 c 寸均匀i 生【7 1 首先生长o 7n m 的g e 层，然后停顿5 分钟，之后再生长0 0 5n m 的 g e 生长温度和速率分别是6 8 04 c 8 n0 0 1n m s s i 的覆盖层的生长温度和速率分 别是6 8 0 和o 0 6n m s 生长完成后衬底温度被马上降至室温 为了研究g e 量子点和覆盖了s i 层的量子点的形貌变化，对样品进行了原子 力显微镜( a f m ) , ； 1 3 透射电子显微镜( t e m ) 观察量子点和覆盖了s j 层的量子点的 表面形貌通过原子力显馓镜( s o l v e rp 4 7 s p m - m d t ) 进行了观察图3 4 显示了 1 2 d i s t a n c e ( n m ) 图3 5 图3 4 中的样品的横截面轮廓图( a ) 一( e ) 分别对应图34 的( a ) 一 ( e ) 最低点已经依照生长的s j 覆盖层的厚度进1 7 y 修正 g e 量子点和覆盖了4 i 同厚度后的量子点的a f m 图需要注意的是图中从f a ) 到 ( d 高度标尺是不断下降的在图3 4 ( d ) 和( e ) 可以清楚地看到量子环结构已经形 成，图3 5 显示的是量子点和量子环的横截面的轮廓图 从图3 4 ( a ) 可以看出，由于采用了两步法生长量子点，小的金字塔状的岛已 经很少了，穹项形的g e 岛的尺寸均匀性也很好随着s i 层的覆盖层厚度达到1 0 n m ，如图3 4 ( b ) 所示，岛的半径增大，高度降低岛的形状从穹顼形变成了比 较大的金字塔形【8 随着覆盖层厚度的进一步增大，出现一个平台状的结构， s u t t e r 等口1 也报道了类似的结果当厚度增加到2 6n m 时，平台中间出现了凹坑， 如图3 5 ( d ) 所示量子点的高度从( b ) 到( d ) 迅速降低，这说明s i 覆盖厚度在 1 0n r n 到3 0r l r l l 的覆盖范围内时，g e 量子点的形状变化足非常剧烈的，s i 的覆盖 引起了剧烈的物质输运在更厚的4 0 n m 的s i 覆盖下，物质的输运过程更加严重 量子点中间的物质凹陷区域扩大了，环的高度有所增高可是当s i 覆盖层厚度 达到1 0 0n m ，并没有发现环的结构图3 5 ( f ) 样品的均方根表面粗糙度达到了 o 3 9n m ，表面已经相当平整 1 3 1 4 函阻衽蜒苫山卜霜薛m删盆两靶嶂喽1s目口口n h 相倒n 匦 除了使用a f m 进行观察外，我们还对量子环样品进行了高分辨的透射电子 显微镜( h r t e m ) 的观察，图3 6 是图3 5 ( d ) 样品的t e m 图从图中可以清楚 地看出量子环的截面的形状结构叶r 心确实呈现了凹陷的状态，而且量子环是外 延生长的，晶体结构非常完整，这样在研究量子环的形成机制时就可以忽略缺陷 的产| i 及其在整个过程中的作用 3 4 量子环的形成机制 由于在我们的丁作之前，白组织的量子环部是存i i i v 族材料中生长得到的 因而其解释也基本是基于i i i v 族材料的特性进行研究的目前对量子环的形成 机制的解释目前有两种观点一种是基于动力学的考虑u , 0 , 1 1 1 由于t n 原子和g a 原子的表面扩散率不同，量子点内核中的i n 原子向外扩散比覆盖层中的g a 原子 向内扩散快，因而量子点的内核被挖空i n 原子扩散入周围的晶格中形成了不易 迁移的i n g a a s 组成的量子环另一种解释是基于热力学方而的考虑 2 , 1 2 1 由于覆 盖层引起了表面自由能的改变，产生了一个向外的力，从而使得量了点内核部分 的物质向外输运这样就形成了量子环这类似于去浸润现象，在i n a s g a a s 系 统中，两种解释都不会引起矛盾，但在i n a s i n p 系统中，由于没有g a 的参与，只 有热力学的模型适用 迄今已知在i n a s g a a s ，i n a s n p 和g e s i 材料中用相同的方法都得到了量了 环结构，组成量子环的材料的丰富说明这一现象不是种特定材料中才有的特 殊现象，它的形成机制必定有个更一般性的解释因而很可能在其他的比如 i i - v j 族材料甚至金属材料r ”也可能得到类似的结果不过在此我们的讨论还是 限定在i n a s g a a s ，l n a s i n p 和g c s i 材料中，以使我们的结论更可靠 用这些材料制各的量子点的形成过程是依照一种由于晶格失配引起的先层 状生f = = 然后成岛的所谓的s t r a n s k i k r a s t a n o v ( s k ) 模式进行的这种生长过程中 从二维的层状生长到三维的岛状生长i = i j 起决定作用的足外延层l l t 的应变能的积 累和释放从这个角度，我们认为应变能的作用在量子环中将仍然起着决定性作 用可以设想g e 量子点在薄层与衬底同质的s i 外延层的作用下，由于晶格失 1 5 配，原来的应力分布被改变在相对较高的温度f ，这种应力的改变使得物质须 从新分布来降低应变能，从而形成了量子环 从量子点的晶格应变能释放的角度我们提出了一个可以更普遍的解释量子 环形成的模型通过x 射线衍射试验确认刚刚形成的量子点足处于一种应变状 态，【1 3 1 量子点的核心部分的应变通过量子点与衬底的界面部分的品格崎变得到 部分释放。这样从量子点底部到顶部的应变是一个从强到弱的过程，在顶部的 g e 晶格的弛豫程度最大这样晶格常数在量子点的顶部更接近于体材料的g e ， 而在量子点的底部边缘部分则接近于s i 的品格常数量子点的核心部分处于应 变状态实验中在量子点的生长温度6 8 0 保持5 分钟，量子点的高度和尺寸没 有大的变化这说明此时量子点的物质的表面迁移过程已经很弱，此时的量子点 处于一个相对稳定的状态对于未覆盖s i 的量子点从量子点边缘部分至顶部，晶 格常数是从小到大的，对于s i 来说是一个从晶格匹配到失配的当s i 的薄的覆 盖层沉积到g e 量子点上时，在量子点顶部对于s i 是失配的，因而s i 原子不易在 顶部稳定下来，在较高的温度条件下，s i 原子会向晶格更加匹配的量子点边缘部 分聚集这样由于新沉积的s i 的聚集，在顶部的g e 和边缘部分的s i 之间就形成 了一个浓度梯度s i 由于在量子点边缘部分晶格匹配，使得沉积的s i 原子更适于 在量子点的边缘部分聚集，因而由于浓度梯度的作用量子点顶部的g e 就会通过 表面扩散向量子点的边缘部分迁移并在那里与s i 形成合金同时原来核心部分 的不易迁移的g e 由于上面的g e 的消失而变得易于表面扩散由于核心郎分的 g e 处于比表面更大的应变状态，因而更加促进了g e 的迁移沉积的s i 的量越多， 形成的浓度梯度和应变能梯度就越大，量子点核心部分的g e 的迁移量就越多 因而在一定量的s i 的覆盖条件卜，如图3 4 ( c ) ( e ) 所示，就会形成中间凹陷的量 子环结构g e 的扩散不仅有利于减少聚集在量子点边缘部分沉积的s i 的应变能， 而且有利于减少量子点顶部及其核心_ 啬i f 分的应变能 实验中有两种情况并没有观察到量子点到量子环的转变当覆盖层较厚达到 1 0 n m 时，如图3 4 ( f ) 所示，表面趋于平坦这可能是由于大量的s i 原子的沉积 使得表面被覆盖了一层s i 原子，因而阻止了表面扩散的进行从而抑制了量子环 的形成另外当衬底温度降至5 0 0 c 覆盖4 0n ms i 后表而也变得平坦，这说明 量子环的形成是一个温度敏感的过程 1 6 3 5 总结 我们首先在实验上则察到，在较高温度6 8 0 。ci - ，在g e 量子点上覆盖s i 层出 现了量子点向量子环的转变这是一个对温度和覆盖层厚度非常敏感的过程 我们分析了g e 量子点任s i 覆盖的情况下的应变情况及其引起的表而物质迁移， 从应变能释放的角度提出了一个由覆盖层引起的从量子点向量子环转变的牛长 模型 1 7 参考文献 1 】jm g a r c i a ，gm e d e i r o s - r i b e i r o ，k s e h m i d t ，一n g o ，j l f e n g ，a l o r k e ，j k o t t h a u s ，a n dem p e t r o i f , a p p lj p 伽l e t t 7 1 ，2 0 1 4 ( 1 9 9 7 ) 【2 】下r a z ，d r i r e ga n dgb a h i r , a p p l 尸咖l e t t 8 2 ，1 7 0 6 ( 2 0 0 3 ) 3 】a x e ll o r k e ，r j o h a n n e sl u y k e n ，a l e x a n d e ro g o v o r o v ，j g r gp m p e s o i f , p r e v l e f t8 4 ，2 2 2 3 ( 2 0 0 0 ) 4 】rj w a r b u r t o n ，c s e h f l e i n ，d h a 危eb c k e ，al o r k e ， s c h i e n f e l d ，a n drmp e t r o f f , n a t u r e 仁o n d o 彬4 0 5 ，9 2 6 ( 2 0 0 0 ) k o t t h a u s ，j m o a r c i a ，a n dp k k a r r a l ，j m g a r c i a ，w 【5 】姜晓明，蒋最敏，刘文汉等，物理学报3 7 ，1 8 9 3 ( 1 9 8 8 ) ；周国息，沈孝良，盛篪等，物理 学报4 0 ，5 6 ( 1 9 9 1 ) 6 1 盛篪，蒋最敏，陆畴，黄大鸣，硅锗超品格及低维量子结构，8 2 8 3 ( 未出版) f 7 1vz e l a ，i p i e t z o n k a , ts a s s ，c t h e l m l d e qs j e p p e s e n ，a n dw s e i f e r t ，p h y s i c ae1 3 ，1 0 1 3 ( 2 0 0 2 ) ；wr j i a n g ，j q i n ，dzh u ，hx i o n g ，a n dzm j i a n g ，c r y s t g r o w t h2 2 7 - 2 2 8 1 1 0 6 ( 2 0 0 1 ) 8 ok i r f e l ，em f i l l e r , d g r t l t z m a c h e r , a n dkk e r n ，p h y s i c ae 1 6 ，6 0 2 ( 2 0 0 3 ) 9 】9 ps u r e r ，em a t e e v a ，a n dm gl e g a l l n ，v a cs c lt e e h n o lb 1 6 ，1 5 6 0 ( 1 9 9 8 ) 【1 0 】al o r k e ，rj l u y k e n ，j m g a r c i a ，a n drm p e t r o f f 印h ，a p p lp 句幅，尸甜r ，4 0 ，18 5 7 ( 2 0 0 i ) 1l 】r s o n g m u a n g ，s k i r a v i t t a y a ，a n d0 gs c h m i d t ，jc r y s t g r o w t h2 4 9 ，4 1 6 ( 2 0 0 3 ) 1 2 】r b l o s s e ya n d a l o r k e ，j d m r e , z e 6 5 ，0 2 1 6 0 3 ( 2 0 0 2 ) 1 3 】zm - j i a n g ，x mj i a n g ，wrj i a n g ，q j j i a ，wlz h e n g ，a n dd cq i a n ，a p p lp h y sl e t t 7 6 ，3 3 9 7 ( 2 0 0 0 ) 第四章锗硅的表面迁移及互混在量子环形成中的作用 通过实验我们发现，对在6 8 0 。cs i ( 0 0 1 ) 上生长的g e 量子点上覆盖s i 层，当 淀积的s i 层达到定厚度时g e 最子点转变成为最子环这一厚度大约是4 0n m ， 在第三章中，我们从应变能释放的角度提出了一个量子环的生k 模型在我们的 模型中应变能在这种形状转变过程中起了主导作用，但g e 和s i 的表面迁移也十 分重要而原子的表面迁移与温度又有着密切的联系，通过改变s i 覆盖层的生长 温度，我们发现当覆盖层较薄，牛长温度为4 0 0 。c 时，量子点基本保持了原来的 形状，没有发生大规模的物质迁移而当覆盖层的生长温度升高至6 4 0 。c 时，依 s i 层厚度从薄到厚，量子点从穹顶形先转变成金字塔形，然后形成大的金字塔形 然后是截面为梯形的平台状，最后在覆盖了2 5 6 n l l r ls i 层后变成了环状 在我们提出的模型中对量予环形成起关键作用的有两个过程，即s i 在表面的 非均匀沉积和g e 在浓度梯度作用下的扩散。s i 在量子点周围部分的优先沉积改 变了量子点的物质及应变平衡，从而引起了量子点顶部g e 的扩教，而g e 的扩散 及其与s i 的互混使得物质浓度趋于均匀这是两个同时发生的过程因而在极薄 的s i 覆盖层作用下的量子点的物质输运过程对我们弄清楚s i 覆盖层在量子环形 成中的作用非常重要 4 2 实验过程和样品测试 量子点和量子环的生长足在超高真空分子束外延系统( r i b e re v a 3 2 ) 中进行 的系统的背景压强小于5 1 0 1 。t o r t 衬底采用的是电阻率为l 一1 0 qc m 的p 型 s i ( 0 0 1 ) 抛光片经过s h i r a k i 方法化学处理的衬底在生长室t 扣经过1 0 0 0 。c 加热 1