鍺硅量子點的自組織生長和微結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、以半導(dǎo)體量子點為代表的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在光電子、微電子和單電子器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景,在硅襯底上自組織生長的GeSi量子點由于與成熟的硅集成電路工藝兼容更具有特殊的意義,是當(dāng)前的研究熱點之一.研究GeSi量子點中的組分和應(yīng)變分布,有助于理解量子點的結(jié)構(gòu)和物理特性之間的關(guān)系,同時也有助于了解量子點的生長機制.我們利用透射電子顯微術(shù)研究了單個GeSi/Si(001)量子點的組分和應(yīng)變分布.通過分析GeSi量子點的高分辨透射電子顯微鏡圖像,獲

2、得了單個量子點中各處的晶格變化.根據(jù)彈性理論和Vergard定律,由晶格常數(shù)得到了量子點的組分分布和應(yīng)變分布.結(jié)果顯示量子點中心偏頂部區(qū)域的Ge組分最高,項部表面的Ge組分較低,底部側(cè)表面的Ge組分最低,其組分分別為0.7,0.6和0.3.量子點中的Si原子是在量子點的生長過程中通過表面擴散而不是界面擴散進入量子點的.量子點中的應(yīng)變是部分弛豫的,其應(yīng)變分布為,量子點中間最大,底部比頂部大.量子點中的應(yīng)變弛豫是通過Si襯底的形變來實現(xiàn)的.

3、在實際器件應(yīng)用中,Ge/Si量子點往往需要被掩埋在Si材料中.我們研究了初始覆蓋Si層的厚度和溫度對自組織GeSi/Si(001)量子點形狀、大小及其組分和應(yīng)變的影響.量子點在400℃下覆蓋Si層后,形貌均沒有變化:在640℃下初始覆蓋Si層后,形貌從圓頂演變?yōu)橛山鹱炙蚺镂?利用拉曼光譜實驗研究量子點在覆蓋Si層前后的組分和應(yīng)變的變化.根據(jù)實驗結(jié)果得到?jīng)]有覆蓋Si層量子點的平均Ge組分和應(yīng)變分別為0.74和-0.98％;在400℃下覆

4、蓋Si層后,量子點里面的組分和應(yīng)變均沒有改變;在640℃下覆蓋Si層后,量子點的Ge組分降低和應(yīng)變增加.覆蓋厚度3.2(?)的Si層后,量子點的平均Ge組分和應(yīng)變分別為0.71和-1.74%;覆蓋厚度6.4(?)的Si層后,量子點的平均Ge組分和應(yīng)變分別為0.69和-1.63%.考慮到體積的變化,量子點總的應(yīng)變能增大.通過分析,量子點表面能的變化遠(yuǎn)小于應(yīng)變能的變化.考慮到量子點下方的襯底應(yīng)變能的變化,系統(tǒng)(襯底+量子點)的總能量才有可能

5、下降.Si覆蓋層在高溫下生長,被掩埋量子點的形貌和組分會發(fā)生顯著變化,從而量子點的物理性質(zhì)以及周圍的應(yīng)變Si的特性也隨著發(fā)生明顯變化.這不是人們所希望的.降低Si覆蓋層的生長溫度,可以使得被掩埋量子點的形貌和組分保持不變.然而低溫生長的Si覆蓋層的晶體質(zhì)量尤其是隨著覆蓋層厚度的變化很少被人們關(guān)注.這對于利用量子點周圍應(yīng)變Si制作器件而言是一個十分重要的問題.我們利用透射電子顯微學(xué)研究了GeSi/Si(001)量子點低溫Si覆蓋層的晶體質(zhì)

6、量及其隨覆蓋層厚度的變化.研究結(jié)果表明,在溫度300℃下,覆蓋Si層后量子點的形貌和組分保持不變,然而當(dāng)Si覆蓋層厚度超過一定數(shù)值時(20-30nm),在量子點的正上方產(chǎn)生了層錯或者微孿晶等面缺陷,并且這些面缺陷隨著覆蓋層厚度的增加擴展到樣品表面.這一發(fā)現(xiàn)對應(yīng)變Si層的器件應(yīng)用無疑是值得關(guān)注的結(jié)果.另外,對于兩個靠近的量子點,這種面缺陷在兩個量子點的內(nèi)側(cè)上方優(yōu)先產(chǎn)生.根據(jù)低溫生長Si覆蓋層中應(yīng)變能隨厚度的變化及其釋放定性地解釋了這些現(xiàn)象