InGaAs量子點可控生長研究.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。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，人們把研究的重點放在低維半導(dǎo)體器件方面，特別是三維受限的量子點器件方面。而高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體量子點材料的制備是保障量子點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的可控生長，目的是為了獲得高度均勻有效的量子點材料。本文的主要的研究內(nèi)容為以下幾點：
　　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量子點組分。然后，本文研究了單層量子點生長與量子點的組分、襯底溫度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)量子點按照S-K生長模式正常生長成核形成3D量子點需要同時滿足一定的組分與襯底溫度條件，在特定組分下存在一個適合量子點生長溫度區(qū)間，只有在溫度區(qū)間內(nèi)才能形成量子點。且適合生長量子點溫度區(qū)間隨著In組分的升高而擴大，當(dāng)In組分過低（小于20％In組分）時無法有效地生成量子點。
　　2、量子點的尺寸與密度決定了量子點的光電性質(zhì)與應(yīng)用范圍

4、。通過控制量子點生長的方式、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在二維表面的尺寸與密度。研究表明在適合量子點生長的溫度區(qū)間內(nèi)，生長襯底溫度越高量子點的尺寸越大；完成量子點生長后退火處理能有效的提高量子點的橫向尺寸與高度并使量子點的密度下降。但是如果生長溫度過低，退火不會使量子點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，液滴外延模式適合生長低密度量子點。在液滴外延模式下金屬束流的沉積量與無As壓退火時間是決

5、定量子點的形狀、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， 可作為量子點生長的模板使量子點會優(yōu)先在納米孔洞周圍成核。
　　3、在單層量子點生長工藝的基礎(chǔ)上，研究了多層堆疊量子點結(jié)構(gòu)的生長。發(fā)現(xiàn)在多層量子點結(jié)構(gòu)中存在兩種空間分布機制分別為量子點豎直成鏈與側(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結(jié)構(gòu)的空間分布機制，當(dāng)間隔層厚度小時豎直

6、成鏈，當(dāng)間隔層厚度大時側(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的尺寸、形狀與密度。通過控制間隔層能夠有效地實現(xiàn)對多層量子點各項指標(biāo)的控制。
　　4、對于異質(zhì)外延的自組裝量子點而言，應(yīng)力與應(yīng)變分布情況直接關(guān)系到量子點系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)。本文對單層量子點在不同退火時間下的表面微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)量子點內(nèi)部應(yīng)變能的釋放在量子點中形成裂縫，外部的應(yīng)力作用是量子點形狀發(fā)生改變。此外，本文通過高分辨的STM表