硅基纳米结构及功能氧化物薄膜的分子束外延生长与特性研究

摘要

随着半导体技术的进步，人们越来越面临两方面的挑战，一方面，随着集成度的日益提高，器件的尺寸不断的减小，其已经越来越接近传统半导体器件的物理极限，这时器件中的载流子的行为越来越多地显示了波动性，这对于传统半导体器件是非常不利的，这种波动性会在栅极形成隧穿电流从而急剧增大漏电流，因此人们发展了高κ栅介质材料来取代原来的SiO2栅介质，从另一个角度出发，人们开始着手研制利用粒子的波动性来达到计算目的的量子计算机，量子计算机的组成的基本单元是量子比特，量子比特可以是磁场中的一个电子，或者是处于两个能级之间的粒子等等。这其中，量子点作为一种人工原子被认为是一种实现量子比特的方式，因而引起人们的关注。除此之外，量子点在其他领域，如光电子等方面也有广泛的应用，另一方面，人们对于存储的要求越来越广泛。非易失性存储器就是一个重要的方面.非易失性存储器在切断外部电源之后，其中保存的信息仍然存在，这就可以大大减少能源消耗，而且即使在意外断电的情况下也不会丢失重要信息，因此成为目前研究的一个热点。本论文从这两方面出发研究了量子点/量子环相关的生长问题和功能氧化物薄膜的生长及其物理性质。
　　锗硅量子点上在300℃覆盖了50nm的硅层经过在640℃原位退火，在表面出现了深度大约为8nm边界沿着(110)的方形纳米坑，通过截面TEM观察到每个纳米坑的正下方都有一个量子点与之对应，在540℃原位退火实验揭示了硅原子在纳米坑形成过程中的细致的迁移过程，最后形成的纳米坑的轮廓是应变能和表面能双重作用下形成的，纳米坑在640℃下是稳定的，在这些纳米坑的表面生长锗会在纳米坑周围形成锗硅量子点分子。
　　通过在锗硅量子点上覆盖硅层得到的量子环的尺寸均匀性与生长温度和量子点的密度有很大关联，较高的生长温度对量子点的尺寸均匀性有利，然而这会导致锗含量的降低以及锗的非对称分布，这会引起转换后的量子环也是非对称的，有的甚至会破裂。低温生长会导致量子点以及与之对应的量子环的尺寸均匀性下降，高的量子点面密度会导致在覆盖硅层时邻近的量子点在膨胀的同时互相连接起来形成一条链而不是量子环，通过优化在生长温度为640℃时得到了尺寸均匀的量子环，其尺寸偏差为4.6％，密度为7.8×108cm-2。
　　我们在有序模板上生长了量子环，结合纳米球光刻技术和反应离子刻蚀技术可以在硅(001)衬底上制备出不同周期和单点尺寸可调的有序模板，实验中使用的纳米球的直径是430nm，因而得到的有序锗硅量子环的周期也是430nm，得到的量子环的尺寸与形状与被覆盖的锗硅量子点以及覆盖过程有密切联系，统计分析表明覆盖温度越高和退火时间越长，横向尺寸的均匀性越高。
　　我们在Si(100)衬底上生长了β-MnO2薄膜并对其微结构进行了表征，实验发现通过掺Er可以极大地提高β-MnO2薄膜的热稳定性，尤其在Er含量为6％时得到了在生长方向上取向接近的β-MnO2晶粒组成的薄膜。
　　我们接着研究了β-MnO2薄膜的电学和磁学性质，研究发现薄膜在退火前后具有不同的记忆效应，即未退火时的记忆效应是由于界面处的电荷陷阱造成的；退过火的样品的记忆效应是由于β-MnO2的铁电性质造成的，未退火的样品在低温下具有铁磁性，这是由Er子晶格的磁矩形成的，经过退火的样品，40K附近发生铁磁转变.这一铁磁性可能是由于Er3+离子与Mn4+离子之间的交换相互作用引起的，在50K附近，由于在晶粒中形成了磁涡旋，磁滞回线呈现小的矫顽力和剩余磁矩，通过低温下测量不同磁场配置条件下的磁滞回线，发现磁化方向在薄膜生长方向是难磁化轴，在样品平面内存在易磁化轴，由此可知β-MnO2的[100]和[010]方向是难磁化轴，而[001]方向是易磁化轴。