半导体量子结构的生长方式.doc

学校代码： 学 号：科研训练报告题 目：半导体量子结构的生长方式学生姓名： 学 院：理学院 班 级：指导教师： 2012年 09 月 12 日一、国内外研究进展及研究意义1.1 国内外研究现状和发展动态半导体量子结构的生产方式有三种，包括量子点、量子线，量子点三种方式，量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。 美国科学家首度利用光将胶状(colloidal)半导体量子点(quantum dot)磁化，且其生命周期远远超过先前的记录。这个结果除了能激发更多基础研究，对于同时利用自旋与电荷的自旋电子元件(spintronics)领域，也是一项重大的进展。直到目前，半导体只能在相当低温下呈现磁性，原因是磁化半导体纳米微粒需要靠激子(exciton)之间的磁性交互作用，但此作用的强度在30 K附近就不足以对抗热效应。最近，华盛顿大学的Daniel Gamelin等人制造出掺杂的纳米微晶，它们的量子局限效应(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可长达100 ns，比先前的记录200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人员利用光将激子注入胶状纳米微晶中，产生相当强的光诱发磁化(light-induced magnetization)现象。华大团队成功的关键在于以磁性锰离子取代镉化硒(CdSe)半导体纳米微晶中的部份镉离子。这些悬浮在胶状溶液中的微晶大小不到10 nm，照光时内部产生的强大磁场可将锰离子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的过程非常快，此效应在低温时非常强，且可维持到室温。这要归功于第一次在研究中被观察到的高温磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。上述团队舍弃以传统的分子束磊晶法(MBE)，而改用新的化学方法直接合成磁性半导体量子点。Gamelin解释，由于掺质-载子间的交互作用够强，EMP稳定性因而增强超过100倍，所以才能在300 K下观察到磁化效应。美国科学家开发出一种新型的电子胶(electronic glue)，能将个别的纳米晶体(nanocrystals)连接在一起。这种电子胶还能用来制作大面积的电子元件和光伏(photovoltaics)元件。利用旋转或浸泡涂布(dip coating)和喷墨印刷等溶液类制程来制作大面积太阳电池，例如便宜的屋顶太阳能面板，是高成本效益的方法。不过这些技术必须让半导体溶解，以方便做为墨水(ink)使用。半导体纳米微晶是微小的半导体块状物，是制作此类墨水的理想材料。然而，在纳米微晶表面由庞大、绝缘有机分子组成的表面配位基，会阻隔纳米晶体间的电荷转移，造成印刷阵列内的个别纳米微晶彼此连结不佳，这点大大降低了纳米微晶在太阳电池和其它的元件上的应用。最近，芝加哥大学的Dmitri Talapin等人开发出一种新的化学材料，能让个别纳米微晶以强连结的方式相互结合成阵列，克服了前述的问题。Talapin表示，他们的方法提供一个材料设计的多功能的平台，将会对电子元件、光伏元件和热电(thermoelectrics)元件的制作带来冲击。另外，此方法提高全溶液(all-solution)元件制作的可能性，让此材料在连续式滚筒(roll-to-roll)制程的应用上增添不少吸引力，例如薄膜太阳能电池的制作。研究人员使用一种名为复合金属硫化物(metal chalcogenide complex)的材料，来将胶体状的纳米晶体相互黏合。其配位基较先前使用的有机配位基更为稳定、坚固，而且不会改变纳米晶体的化学性质，还可让纳米晶体间的电荷转移更有效率。Talapin等人确实观察到系统中的导电率有增加的趋势。目前，该团队正在研究如何在实际应用上使用纳米晶体的连接技术，并且调查除了金属硫化物材料外，是否还有其它合适的材料。芝加哥大学已授权Evident Technologies公司在热电应用上采用此技术。详见Science DOI: 10.1126/science.1170524。此外，胶状半导体量子点与软式微影术(soft lithography)及喷墨印刷术(in-jet printing)等常见的制程相容。Gamelin认为胶体可望成为纳米科技在各种元件应用上的新工具箱。量子点的应用非常广泛，因为它们控制的尺寸L反过来控制了当晶体被短波光照时发射光的波长，这些短波光在半导体带隙两端产生电子-空穴对。量子点在溶液中生长，然后以优美方式被包裹，首先保护半导体晶体不与水环境接触，然后进一步包裹并将这个荧光标记连接到想要的组织类型上。半导体(InAs)量子点在一些特定类型激光上有独特的应用。激光被广泛应用于通信、音响器材制造，如CD播放机。这些在通信方面的应用同样基于发射谱的可调谐性，即通过调节尺寸L来调节发射谱。然而，这些量子点要并入激光器的异质结中，以使电子从结的一边注入，空穴从另一边注入。所以这些量子点是被电“泵入”到一个不稳定的电子态，和前面的应用完全一样，这个电子态将辐射光子。这就是所谓的注入式激光器，在工业中有很多应用。但是问题是：怎样在异质PN结中生产量子点。答案是应用外延薄膜生长技术：在超高真空室中使用分子束外延生长设备在单晶基片上外延生长薄膜，在具有应力的GaAs(100)方向上外延生长的InGaAs量子阱结构可以自组装InAs量子点。这是外延生长InAs量子点的一个例子4。外延生长意味着材料在超高真空的条件下以合适的沉积速率和合适的基体温度按照与基体相同的晶格持续地沉积生长。即使化学组分改变外延性也会一直保持，但在生长层中会有应力存在。例如，在GaAs基片上生长GaAs时向Ga束中加入一些In，如果In的含量不是很大，可以得到一个完美的InGaAs晶体层，只是有轻微的应力。将In加入生长层的效果，从电学的角度看，是减少局部的带隙能量Eg， GaAs和InGaAs的交替层产生一个方形波带隙调制，这就叫做量子阱结构。电子会被隔离在层中，层的带隙更小(降低的导带边)。这些电子在二维能带中，因为InGaAs层的厚度很小，所以会提高迁移率，载流子会在远离施主离子电荷的区域集中，同时施主离子电荷会散射它们，使迁移率变得更低。如果加入In的含量提高，会使局部的应力升高，从而使量子点情形出现，最后外延性将不会进行，而会在局部有InAs出现。这些就是自组装的InAs量子点，它们的尺寸(或其发射光谱)在生产过程中可以通过沉积条件的细节加以控制。这是分子束外延(MBE)技术制造量子点的先进方法，称做局部偏离外延性法。用这种方法使激光器的效率大大提高，因为量子点有原子一样非常窄的光发射范围。1.2 研究意义人们采用自组织方法生长纳米量子点的初衷之一, 则是设制并制作量子点激发器。因此, 材料物理学家们在采用这种方法, 生长各类高质量量子点结构的同时, 便开始进行了这方面的研究探索, 并获得了初步进展。现就其中的两种加以简单介绍。垂直腔面发射激光器( VCSEL)图11是由H. Saito 等人5采用自组织生长制作的量子点垂直腔面发射激光器( QDVCSEL) 。其衬底是GaAs( 100) 基片, 衬底上的分布型布喇格反射镜( DBR) 多层膜, 在衬底侧是18周期, 在表面侧是14周期, 中间是10个周期的In015Ga015As量子点有源区。采用这种结构和利用蚀刻技术制备了25Lm2的面发射激光器。图12示出了室温条件下的电流-光输出特性和振荡光谱。在连续状态其阈值电流为32mA, 振荡波长为962nm。由于采用这种结构实现了室温下的连续振荡, 因而表明采用S-K模式自组织生长的量子点结构是可以应用于激光器制作的。对于垂直共振腔面发射激光器而言, 激光振荡波长由共振器的共振波长所决定。因此,可以利用电流注入来评价从端面的发光特性, 并揭示其振荡机理。图13示出了集层量子点结构的EL谱, 图中的垂直点线是垂直共振器的共振峰。由图可以清楚看出, 随着注入电流的增加, 其发光强度亦明显增加, 并出现谱峰蓝移现象。这种谱峰蓝移行为起因于, 由于注入电流的增加, 引起了电子在高能级间的跃迁所导致。 InAs/ GaAs量子点激光器 Y. Sugiyama等人6采用MBE以自组织方式在GaAs( 100) 衬底上制备了InAs量子点, 其高度为5nm, 直径为20nm。为了提高光增益, 共制作了三层量子点结构。300K下的PL谱证实, 在1113Lm附近观测到了来自于基态能级的发光, 其峰值半宽为80meV。这个较宽的发光峰起因于量子点的尺寸与组分的不均匀性。 图14是量子点层数N= 1和共振器长度为L= 300Lm的激光器的EL谱。很显然, 由于量子点的离散能级, 在EL谱中出现了明显离散的谱峰。其中长波长侧的谱峰与基态能级相对应, 一直观测到第三个激发态能级, 最短波长的谱峰是来自于InAs浸润层。由图还可以看出, 由于高激发态能级的简并度比低激发态能级的大, 所以随着注入电流的增加, 高激发态能级将具有更强的发光效率。图15示出了具有不同量子点层数(N)和共振器长度(L) 激光器的EL谱。由图可见, 当量子点层数N= 1, 共振器长度L 从300Lm变化到900Lm时, 激光振荡的能级从浸润层移到第三激发态能级。对于共振器长度L= 900Lm的激光器, 当量子点层数由N=1增加到N= 3时, 其光增益明显增大, 其激光振荡从第三激发态移向了第二激发态能级。对于量子点层数N=3和共振器长度L=900Lm的激光器, 可实现室温下的连续振荡。 1.3 主要参考文献1 彭英才等. 真空科学与技术学报.1996, 16:1852 彭英才 半导体量子点的自组织生长及其应用.半导体杂志，1999,(03)3 庄乾东,李晋闽,曾一平,潘量,孔梅影,林兰英 InGaAs/GaAs垂直对准量子点超晶格的正入射红外吸收. 红外与毫米波学报,1998,(06)4 Saito H, et al. Appl.Phys. lett., 1996,69:31405 Sugiyama T, et al. Jpn. J.Appl.Phys. , 1996, 35:13206 西研一等. 应用物理(日) , 1998,67: 7937 彭英才.固体电子学研究与进展, 1997,17:165二、研究内容及方案2.1 研究内容 将以极化为特征 具有丰富功能特性的介电氧化物材料通过外延薄膜的方式，在半导体GaN上制备介电氧化物/GaN集成薄膜，其多功能一体化与界面耦合效应可推动电子系统单片集成化的进一步发展。然而，由于2类材料物理化学性质的巨大差异，在GaN上生长介电薄膜会出现严重的相容性生长问题采用激光分子束外延技术(LMBE),通过弹性应变的TiO2的缓冲层来减小晶格失配度，降低介电薄膜生长温度，控制界面应变释放而产生的失配位错，提高了介电薄膜外延质量; 通过低温外延生长MgO 阻挡层，形成稳定的氧化物/GaN界面，阻挡后续高温生长产生的扩散反应; 最终采 用TiO2/MgO组合缓冲层控制介电/GaN集成薄膜生长取向、界面扩散，降低集成薄膜的界面态密度，保护GaN半导体材料的性能所建立的界面可控的相容性生长方法，为相关集成器件的研发提供了一条可行的新途径。 2.2 研究方案 氧化物介电材料具有铁电、压电、热释电、高介电、非线性光学等多种性能，在电阻、电容、电感、微波电路元件以及其他无源电子器件中有重要和广泛的应用半导体材料具有电子输运特性，是微电子和光电子工业的基础材料，成为各种有源电子器件的支撑主体近年来，电子信息系统的微小型化和单片化的需求，不断促进了电子材料的薄膜化和电子器件的片式化的快速发展。为此，将功能氧化物材料与半导体材料通过固态薄膜的形式生长在一起，形成介电半导体集成结构，利用这种集成薄膜的一体化特性，可将介电无源器件与半导体有源器件集成，实现有源 无源的多功能集成化和模块化，增强集约化的系统功能，促进电子系统小型化和单片化。另一方 面，在介电半导体集成薄膜中，可利用介电材料大的极化和由于界面晶格失配引入的大的界面应变，来调控半导体的输运特性( 载流子浓度和迁移率等)，有可能通过界面诱导和耦合出现新的性能，为新型电子器件的制备提供新的自由度。所以介电与半导体集成，无论在科学意义上，还是在器件应用上，都具有十分重要的研究意义。 由于介电半导体集成薄膜的生长和性能研究有极大的科学研究价值和重要的应用前景 ，所以已逐渐引起了包括美国 DOE 和 DAPA 等国内外一些研究机构的关注和资助 ，并在理论和实验方面进行了探索 。采用缓冲层的方法在 GaN 半导体上制备氧化物外 延薄膜是一种可行的方法，如 Penn State 大学在 GaN 上采用 TiO2 作为缓冲层制备了外延的多铁BiFeO3 薄膜，但过厚的缓冲层影响了介电与半导体性能的相互作用 。在我们最近开展的研究中 ，采用激光分子束外延 ( L-MBE) 方法 ，可实现在原子尺度上介电 / 半导体集成薄膜的可控生长 ，用纳米厚度的 TiO2 诱导生长了高 质量的介电薄膜 SrTiO3 ，但进一步研究发现界面仍然存在一定的反应扩散 。一般来讲 ，缓冲层材料必须要 满足以下条件 : 与基片和薄膜的晶格失配均较小 ； 缓冲层在热力学上处于稳定状态 ，能与膜和基片形 成稳定接触 ； 电学性能应达到相应器件的要求。采用激光分子束外延 ( Laser-Molecular Beam Epitaxy) 方法在 GaN 衬底上生长 SrTiO3介电氧化物薄膜和 MgO ，TiO2 缓冲层 。实验中使用中电集团 55 所通过金属有机物气相沉积 ( MOCVD)方法在 c 取向蓝宝石基片上生长的 2m GaN 厚膜和 AlGaN / GaN 异质结作为衬底 ，采用固相烧结的 STO ，MgO ，TiO2陶瓷作为靶材 。激光器为德国 LAMBDA PHYSIK 公司生产的 Compex 20 1 KrF 准分子激光器 ( 脉冲宽度为 30 ns 、波长为248nm) 。实验中采用频率范围为 15 Hz ，能量 100 150 mJ 的脉冲激光轰击陶瓷靶面进行薄膜制备 。采用反射式高能电子衍射( RHEED)原位实时监测氧化物薄膜的外延生长过程 ，并通过与计算机相连的 CCD 相机进行数据采集和图像处理 。 采用英国 BEDE公司生产的 BEDE D1 型四圆衍射仪对在 GaN 衬底上制备的氧化物薄膜生长取向以及外延关系进行分析。采用 ESCALAB MK-II 能谱分析仪进行深度剖析的 X 射线光电子能谱分析仪获取多层薄膜化学成分的深度分布 ，以确定不同缓冲层对界面扩散的阻挡作用 。此外，本研究还通过半导体载流子输运特性和 界面态密度测试研究了不同缓冲层对集成薄膜电学性能的影响。其中，半导体载流子输运特性使用自行搭建的变温霍尔效应仪器系统进行测试 ，该系统包含可换向永磁磁铁 、SV12 变温恒温器 、CVM200电输运性质测试仪 、霍尔探头等设备 。采用 HP4 155B半导体参数测试仪测量集成薄膜漏电流特性。 三、研究计划第1周第2周：查阅各种相关资料，将各种设备准备完毕，为接下来的工作做好充分的准备。第3周第10周：做实验，在不懂得时候咨询老师，以及查阅各种书籍，上网询问或者运用各种手段将其弄懂。第11周第13周：写论文，将实验数据进行整理，并将实验结果进行总结，在实验报告上明确的写出。 4、 预期研究结果 采用激光分子束方法研究了 STO 薄膜在 GaN 半导体基底上的生长行为 ，通过对缓冲层 的设计和制备，实现了 STO 介电氧化物薄膜在 GaN 半导体上的外延生长的同时，保护了 GaN 的半导体特性。(1)大晶格失配和界面扩散2方面因素降低了在GaN 半导体上直接生长的 STO 薄膜晶体质量，破坏了GaN 的半导体性能。(2)利用TiO2缓冲层降低了STO与GaN直接生长的晶格失配度，将STO薄膜生长温度降低了200 ，通过控制TiO2厚度可以调节应变释放产生的失配位错分布，提高STO薄膜外延质量 。(3)通过低温外延生长MgO阻挡层，形成稳定的氧化物/ GaN界面 ，阻挡了后续高温生长产生的扩散反应。(4)最终提出了采用TiO2/ MgO复合缓冲层实现STO介电薄膜与GaN的外延生长、界面扩散 ，保护 GaN 基半导体材料的性能 ，建立了界面可控的相容性生长方法，为相关集成器件的研发提供了材料制备方法 。 本科生科研训练综合成绩评价表学生姓名 张俊勇 学 号200920906034 班 级 电科09-2学 院 理学院专 业 电子信息科学与技术题 目 半导体量子结构的生长方式成绩组成评 价 内 容得 分平时成绩（30分）出勤、纪律、平时表现等报告成绩（50分）综合运用知识的能力、应用文献资料和外文的能力、研究方案的设计能力、报告撰写水平等答辩成绩（20分）自述的内容、语言、条理性和总体效果，回答问题的准确性、完整性等总分（100分）综合评定成绩（五级分制）：科研训练综合评语：（根据学生能力水平、报告撰写质量、学生在科研训练实施过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价）指导教