高密度InAs/GaAs量子点的生长与表征

摘要

近年来,由于零维量子点材料的量子效应,使得 InAs/GaAs量子点在量子器件方面的应用吸引了大批研究人员的兴趣。MOCVD和MBE的发展使得 InAs/GaAs量子点制备量子器件成为可能,由于量子器件的性能主要依赖于量子点的密度、尺寸和均匀性,因此获得高密度并且均匀性好的量子点的MOCVD生长工艺显得非常重要。为了得到大小一致,分布均匀的高密度InAs/GaAs量子点,本论文实验利用MOCVD进行了InAs/GaAs量子点的生长,成功获得了面密度4.86×1010cm-2,均匀性很好的高密度InAs量子点。通过对量子点生长结果的研究,本论文主要获得了以下研究结果:
　　(1)InAs量子点材料生长会在凹坑处形成大团簇,从而不利于量子点材料的均匀性和分散性。本论文提出了一种消除大团簇的工艺,即通过降低InAs沉积量和温度可以有效消除大团簇。
　　(2)发现利用MOCVD方法生长InAs量子点有如下规律:①降低生长温度可以提高量子点的密度并减小量子点的尺寸。因为相对低的生长温度会减小铟原子的迁移长度和激活能,并抑制造成In-Ga混合效应的发生,使得量子点密度变大,尺寸变小。②降低InAs的沉积量可以减小量子点的密度,但同时会使得聚集现象更明显。由于通过生长速度降低InAs量子点的沉积量时,过慢的生长速度会增加了In原子表面迁移长度,In原子更倾向于形成大的点来降低表面能和应变能而使聚集现象更明显。③降低V/III会使量子点密度变小并且因为聚集现象出现而使量子点尺寸变大。④中断时间可以影响量子点聚集度、密度和均匀性。通过实验发现在InAs量子点生长完成后的中断过程中,铟原子会解吸附并影响量子点的重新形成,所以合理的选择生长后中断时间可以消除量子点的聚集并提高量子点的密度和均匀性。另外,生长中断过程中可能发生奥斯瓦尔德熟化效应影响量子点的大小和密度。这些工艺规律对生长高密度、尺寸均匀InAs量子点具有比较重要的指导意义。
　　(3)发现InAs量子点更容易在GaAs缓冲层的原子台阶上成核,在密集原子台阶上可以形成均匀性较好的高密度量子点,并且可以通过改变缓冲层上的原子台阶来改变量子点的成核位置。
　　(4)利用PAI方法生长InAs量子点可以有效的提高量子点的密度和分布均匀性。实验中通过优化过的PAI方法的得到了面密度4.86×1010cm-2,分布均匀的高密度InAs量子点。

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目录

1 绪论

1.1研究背景和研究意义

1.3 本论文的组织和结构

2 量子点的特性和自组装生长

2.1 半导体量子点的特性

2.2 量子点的自组装生长

2.3 本章小结

3 MOCVD外延系统与材料表征方法

3.1 MOCVD的概念和生长原理

3.3 材料的表征设备和表征方法3.3.1 高分辨X射线衍射仪

3.4 本章小结

4 InAs/GaAs量子点生长条件的初步探究

4.1 InAs/GaAs量子点基本条件的探究

4.2 InAs/GaAs量子点中大团簇的消除

4.3 本章小结

5 生长条件对InAs/GaAs量子点的密度和尺寸影响的研究

5.1 InAs的生长温度对InAs/GaAs量子点的密度和尺寸的影响

5.2 InAs的沉积量对InAs/GaAs量子点的密度和尺寸的影响

5.3 InAs的V/III对InAs/GaAs量子点的密度和尺寸的影响

5.4 量子点生长后中断时间对InAs/GaAs量子点的密度和尺寸的影响

5.4 本章小结

6 生长条件对InAs/GaAs量子点的成核位置和分布影响的研究

6.1 InAs/GaAs量子点成核位置的研究

6.2 InAs/GaAs量子点的PAI方法生长和优化

6.3 本章小结

7 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录