InGaAs量子點(diǎn)可控生長研究.pdf

1、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料具有較高的電子遷移率，利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料所制作的電子器件、微波器件與集成電路具有高速、高頻等優(yōu)點(diǎn)。此外Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的低維半導(dǎo)體材料如量子阱、量子線、量子點(diǎn)還具有優(yōu)異的光電性能，利用其可以制作高光電轉(zhuǎn)換率的光伏組件、低閾值電流高功率的半導(dǎo)體激光器以及高靈敏度紅外探測器等光電子器件以及自旋電子學(xué)器件。這些器件由于其卓越的性能而被廣泛的應(yīng)用于軍事科技、空間技術(shù)、日常生活等領(lǐng)域。目前，為了進(jìn)一步

2、地開發(fā)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體器件的光電性能，人們把研究的重點(diǎn)放在低維半導(dǎo)體器件方面，特別是三維受限的量子點(diǎn)器件方面。而高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備是保障量子點(diǎn)器件的光電特性與廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本文以InGaAs/GaAs材料體系為基礎(chǔ)，研究單層與多層量子點(diǎn)的可控生長，目的是為了獲得高度均勻有效的量子點(diǎn)材料。本文的主要的研究內(nèi)容為以下幾點(diǎn)：
　　1、基于GaAs與InAs同質(zhì)外延生長研究。獲得了原子級平坦的GaAs（001）表面，并且

3、確定了InGaAs量子點(diǎn)組分。然后，本文研究了單層量子點(diǎn)生長與量子點(diǎn)的組分、襯底溫度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)按照S-K生長模式正常生長成核形成3D量子點(diǎn)需要同時(shí)滿足一定的組分與襯底溫度條件，在特定組分下存在一個(gè)適合量子點(diǎn)生長溫度區(qū)間，只有在溫度區(qū)間內(nèi)才能形成量子點(diǎn)。且適合生長量子點(diǎn)溫度區(qū)間隨著In組分的升高而擴(kuò)大，當(dāng)In組分過低（小于20％In組分）時(shí)無法有效地生成量子點(diǎn)。
　　2、量子點(diǎn)的尺寸與密度決定了量子點(diǎn)的光電性質(zhì)與應(yīng)用范圍

4、。通過控制量子點(diǎn)生長的方式、沉積量以及生長退火條件等因素能有效地控制單層量子點(diǎn)在二維表面的尺寸與密度。研究表明在適合量子點(diǎn)生長的溫度區(qū)間內(nèi)，生長襯底溫度越高量子點(diǎn)的尺寸越大；完成量子點(diǎn)生長后退火處理能有效的提高量子點(diǎn)的橫向尺寸與高度并使量子點(diǎn)的密度下降。但是如果生長溫度過低，退火不會使量子點(diǎn)密度下降而是會小幅上升。S-K生長模式適合生長高密度量子點(diǎn)，液滴外延模式適合生長低密度量子點(diǎn)。在液滴外延模式下金屬束流的沉積量與無As壓退火時(shí)間是決

5、定量子點(diǎn)的形狀、尺寸、密度的關(guān)鍵因素，通過采用間歇式的噴射金屬In與Ga材料能有效地控制量子點(diǎn)的密度。此外，Ga液滴外延刻蝕形成了納米孔洞， 可作為量子點(diǎn)生長的模板使量子點(diǎn)會優(yōu)先在納米孔洞周圍成核。
　　3、在單層量子點(diǎn)生長工藝的基礎(chǔ)上，研究了多層堆疊量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長。發(fā)現(xiàn)在多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中存在兩種空間分布機(jī)制分別為量子點(diǎn)豎直成鏈與側(cè)向成鏈。間隔層作為應(yīng)力的傳遞媒介影響著多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的空間分布機(jī)制，當(dāng)間隔層厚度小時(shí)豎直

6、成鏈，當(dāng)間隔層厚度大時(shí)側(cè)向成鏈。此外，間隔層厚度大小、間隔層退火工藝以及間隔層生長方式直接影響了力量子點(diǎn)的尺寸、形狀與密度。通過控制間隔層能夠有效地實(shí)現(xiàn)對多層量子點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的控制。
　　4、對于異質(zhì)外延的自組裝量子點(diǎn)而言，應(yīng)力與應(yīng)變分布情況直接關(guān)系到量子點(diǎn)系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)。本文對單層量子點(diǎn)在不同退火時(shí)間下的表面微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)變能的釋放在量子點(diǎn)中形成裂縫，外部的應(yīng)力作用是量子點(diǎn)形狀發(fā)生改變。此外，本文通過高分辨的STM表