半导体量子点系统中应变调制的自组装

摘要

量子点在半导体激光器、光探测器、元胞自动机、单电子晶体管及固态量子计算机等电子及光电子设备中具有巨大的应用前景.采用异质外延生长,在晶格失配的基底上形成纳米尺寸的应变岛,为有效构造高密度的量子点提供了一个迷人的方法.然而,在通常情况下应变岛的空间位置和尺寸分布不具有良好的均匀性,它影响量子点在某些电子及光电子设备中的应用.最近的实验显示,通过重复堆垛岛层和隔离层,量子点的空间有序性和尺寸均匀性都能得到显著的提高.先前的研究认为在多层生长中,岛的自组装过程是埋藏岛在隔离层表面产生的应变场所致,他们一般把埋藏岛处理成零维的点力偶极子,实际上埋藏岛的线性尺寸和隔离层的厚度大小相当.因此,为了更好地理解多层生长中的自组装过程,必须考虑埋藏岛的尺寸效应.同时,由于晶格失配,表面岛也会在隔离层表面产生应变场,先前所有的研究都忽略了它的作用,事实上在大多数情况下它的作用是不可忽略的.为此,基于连续介质理论,我们开展了如下研究工作:1.基于半无限空间中点力偶极子产生的表面应变场的解析式,得到了半无限空间中长方形薄块夹杂物和长方体夹杂物产生的表面静水应变场的解析式.2.详细地分析了正方形薄块在隔离层表面产生的应变场,进一步证实了埋藏岛的几何形状对应变场分布具有关键性的影响.只有当隔离层的厚度远大于埋藏岛的线性尺寸时,埋藏岛才能处理成点力偶极子.3.发现了在量子点系统中,岛的局部自组装的原因是有限尺寸的埋藏岛引起的表面应变场对岛的形核中心的调制,而不是邻近岛之间的相互排斥作用.合理地选择不同的隔离层厚度和生长温度,可以在埋藏岛上方生长具有对称性分布还是不具对称性分布的岛团簇.我们的发现为生长有序量子点开辟了一个新的途径.4.提出多层生长中岛的自组装过程是埋藏岛和表面岛产生的总应变场共同作用的结果.埋藏岛产生的应变场控制着表面岛的位置,生长的表面岛产生的应变场对控制表面岛的尺寸具有非常重要的影响.我们的理论预言,多层生长后将得到尺寸均匀和空间有序的量子点阵列,成功地说明了实验观测,为进一步提高量子点系统的质量提供了有益的指导.

目录

文摘

英文文摘

引 言

第一章绪论

第一节半导体量子点的Stranski-Krastanow生长模式

第二节生长参数对表面岛大小形状的影响

第三节多层生长中半导体量子点的自组装

第四节本论文的主要研究内容

第二章半无限空间中埋藏岛产生的应变场

第一节零维点力偶极子产生的应变场

第二节二维薄块产生的表面应变场

第三节长方体产生的表面应变场

第四节本章小结

第三章表面应变场对埋藏岛尺寸形状的依赖特性

第一节薄块引起的表面应变场分布

第二节金字塔形岛引起的表面应变场分布

第三节本章小结

第四章半导体量子点系统中应变调制的自组装

第一节量子点系统中岛的局部自组装

第二节多层异质外延生长中量子点的自组装

第三节本章小结

第五章总结与展望

第一节总结

第二节展望

参考文献

攻读硕士学位期间已公开发表的论文

致谢