InGaAs量子点可控生长研究

发布时间：2018-02-07 12:25

  本文关键词： In GaAs量子点 可控生长 单层 多层 竖直成链 侧向成链　出处：《贵州大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料具有较高的电子迁移率,利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料所制作的电子器件、微波器件与集成电路具有高速、高频等优点。此外Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料构成的低维半导体材料如量子阱、量子线、量子点还具有优异的光电性能,利用其可以制作高光电转换率的光伏组件、低阈值电流高功率的半导体激光器以及高灵敏度红外探测器等光电子器件以及自旋电子学器件。这些器件由于其卓越的性能而被广泛的应用于军事科技、空间技术、日常生活等领域。目前,为了进一步地开发Ⅲ-Ⅴ族半导体器件的光电性能,人们把研究的重点放在低维半导体器件方面,特别是三维受限的量子点器件方面。而高质量Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点材料的制备是保障量子点器件的光电特性与广泛应用的关键。本文以In Ga As/Ga As材料体系为基础,研究单层与多层量子点的可控生长,目的是为了获得高度均匀有效的量子点材料。本文的主要的研究内容为以下几点:1、基于Ga As与In As同质外延生长研究。获得了原子级平坦的Ga As(001)表面,并且确定了In Ga As量子点组分。然后,本文研究了单层量子点生长与量子点的组分、衬底温度之间的关系。发现量子点按照S-K生长模式正常生长成核形成3D量子点需要同时满足一定的组分与衬底温度条件,在特定组分下存在一个适合量子点生长温度区间,只有在温度区间内才能形成量子点。且适合生长量子点温度区间随着In组分的升高而扩大,当In组分过低(小于20%In组分)时无法有效地生成量子点。2、量子点的尺寸与密度决定了量子点的光电性质与应用范围。通过控制量子点生长的方式、沉积量以及生长退火条件等因素能有效地控制单层量子点在二维表面的尺寸与密度。研究表明在适合量子点生长的温度区间内,生长衬底温度越高量子点的尺寸越大;完成量子点生长后退火处理能有效的提高量子点的横向尺寸与高度并使量子点的密度下降。但是如果生长温度过低,退火不会使量子点密度下降而是会小幅上升。S-K生长模式适合生长高密度量子点,液滴外延模式适合生长低密度量子点。在液滴外延模式下金属束流的沉积量与无As压退火时间是决定量子点的形状、尺寸、密度的关键因素,通过采用间歇式的喷射金属In与Ga材料能有效地控制量子点的密度。此外,Ga液滴外延刻蚀形成了纳米孔洞,可作为量子点生长的模板使量子点会优先在纳米孔洞周围成核。3、在单层量子点生长工艺的基础上,研究了多层堆叠量子点结构的生长。发现在多层量子点结构中存在两种空间分布机制分别为量子点竖直成链与侧向成链。间隔层作为应力的传递媒介影响着多层量子点结构的空间分布机制,当间隔层厚度小时竖直成链,当间隔层厚度大时侧向成链。此外,间隔层厚度大小、间隔层退火工艺以及间隔层生长方式直接影响了力量子点的尺寸、形状与密度。通过控制间隔层能够有效地实现对多层量子点各项指标的控制。4、对于异质外延的自组装量子点而言,应力与应变分布情况直接关系到量子点系统的能带结构。本文对单层量子点在不同退火时间下的表面微观结构表征发现量子点内部应变能的释放在量子点中形成裂缝,外部的应力作用是量子点形状发生改变。此外,本文通过高分辨的STM表征量子点的表面微观结构首次发现了In0.5Ga0.5As量子点的侧向晶面为In As(137)面。通过对竖直成链与侧向成链的多层量子点结构中的间隔层表面应变的分析发现,表面应变场作用机制唯一决定了竖直成链,而表面应变场与表面形貌共同决定了量子点侧向成链的空间分布。
[Abstract]:In order to develop a quantum dot material with high photoelectric conversion efficiency , the quantum dots can be grown by controlling the growth of quantum dots . In this paper , we find that the release of strain energy in the quantum dots is directly related to the energy band structure of the quantum dot system . In addition , the surface microstructure characterization of the quantum dots with high resolution shows that the lateral crystal plane of the quantum dots is In As ( 137 ) . In addition , the surface strain field action mechanism determines the vertical chain forming , and the surface strain field and the surface topography determine the spatial distribution of the lateral chain of the quantum dots .

【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.23
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本文编号：1494371