Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線及相關異質結構的理論與實驗研究.pdf

1、本論文工作是圍繞課題組承擔的國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃（973計劃）項目（No：2010CB327600）、國家863計劃項目（No：2009AA03Z405，2009AA03Z417）、高等學校學科創(chuàng)新引智計劃（No：B07005）、國際科技合作重點項目（No：2006DFB11110）、新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助（No：NCET-08-0736）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助（No：BUPT2009RC0409，BUPT2009RC04

2、10）、教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”（No：IRT0609）展開的。
　　 低維半導體異質結構本身有很多的優(yōu)點，在低維結構中，半導體納米線（或者量子線）由于具有眾多獨特的優(yōu)點而在新一代電子、光電器件以及系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景。利用自下而上的外延生長方法所制備的納米線具有很多優(yōu)點，比如高的晶體質量、生長方向更易于控制、易于形成有序的自支撐納米線陣列、更易于集成等。半導體納米線材料的合成技術和控制生長方法對納米線結構和器件

3、的發(fā)展有著舉足輕重的作用，對于納米線的研究不僅要解決其外延生長的問題（如晶體質量控制、摻雜、實驗的可重復性等），還要解決納米線的位置控制、生長方向和形貌控制、納米線器件的制備以及相關功能集成等問題。目前，納米線生長面臨的主要問題包括：生長控制、異質結構制備、摻雜、基于Si襯底的功能集成。本論文圍繞著Ⅲ-V族半導體納米線以及相關異質結構的外延生長問題開展了大量的理論和實驗工作，對于InP、GaAs、GaP、InAs、InGaAs納米線和相

4、關納米線異質結構的生長機制和優(yōu)化生長開展了系統(tǒng)的理論分析和實驗創(chuàng)新。主要研究成果如下所述：
　　 1、在GaAs納米線生長方面取得重要進展。探索了Au輔助生長GaAs納米線的最佳生長條件，利用低壓金屬有機物化學氣相沉積（LP-MOCVD）技術在GaAs（111）襯底上生長出高質量的GaAs納米線，TEM測試顯示所生長的GaAs納米線是無缺陷的純閃鋅礦結構。研究表明： TMGa在Au-Ga合金液滴表面為選擇性裂解，生長過程中吸附原

5、子擴散對軸向生長的貢獻可以忽略，所以合金液滴的過飽和度在生長過程中能保持穩(wěn)定，從而實現無缺陷的納米線生長。
　　 2、探索了金薄膜厚度與GaAs納米線的密度、直徑分布和生長速率的關系，實現了不同直徑和密度GaAs納米線的等高生長。測試結果顯示GaAs納米線的密度隨著金薄膜厚度的增加而減小，平均直徑和生長速度隨著金薄膜的厚度增加而增加。研究表明：納米線的等高生長源于反應室中高的過飽和度，而合金顆粒密度越大，覆蓋率就越大，氣相源分子

6、的收集面積越小導致生長速度隨密度的增加而減小。
　　 3、首次實現了Si基無缺陷純閃鋅礦結構GaAs納米線的生長。在Si（111）襯底上，首先生長GaAs/AlGaAs緩沖層，利用雙溫生長技術，生長出無缺陷純閃鋅礦結構GaAs納米線。研究表明應用緩沖層技術可以有效地釋放失配應變，突破納米線大失配異質外延的臨界直徑限制，并且緩沖層可以有效阻擋Au原子向襯底擴散以及襯底Si原子向納米線擴散。
　　 4、分析了GaP和InP納

7、米線的生長特點。討論了在Si（111）襯底上生長了GaP納米線的形貌和生長特點。討論了InP（100）襯底上生長具有K型、瓶型、Y型、L型等復雜形貌的InP納米線，分析了襯底取向、擴散原子、Gibbs-Thomson效應等的影響以及生長動力學過程。考察了InP（111）襯底上生長InP納米線的生長特點。
　　 5、探索了InP/GaAs、InAs/GaAs軸向異質結構納米線的生長特點。討論了不同半導體材料串接生長軸向納米線異質結

8、構時出現的生長方向混亂現象，研究表明不同材料串接生長成異質結構納米線時受到界面能差異和臨界直徑的限制。
　　 6、應用彈性力學模型分析了含有組分漸變緩沖層的軸向異質結構的應變與應力分布。研究表明漸變緩沖段單層越薄越能有效釋放應變，并且該結構可以顯著改善軸向串接納米線生長的界面能，突破納米線異質外延臨界直徑的限制。
　　 7、首次實現了InAs/InχGa1-χAs/GaAs軸向雙異質結構的生長，并實現了GaAs/AlGa

9、As軸向多量子阱和徑向“核-殼”異質結構的控制生長。利用插入InχGa1-χAs組分漸變緩沖段實現了InAs/InχGa1-χAs/GaAs軸向雙異質結構。TEM測試表明，所生長的InAs段納米線是具有周期孿晶面結構的純閃鋅礦結構，組分漸變緩沖段可以有效的釋放應變和應力，克服界面能差異引起的生長方向紊亂。通過控制生長溫度分別抑制徑向和軸向生長得到GaAs/AlGaAs軸向多量子阱和徑向“核-殼”異質結構。15K PL譜測試表明，徑向“核