单个锗硅量子点和量子环的电学性质及其组分分布的研究

摘要

本论文主要通过扫描探针显微镜对分子束外延自组织生长的单个GeSi量子点和量子环的电学性质进行研究,结合单个量子点和量子环的组分分布,探讨了单个量子点和量子环的导电分布机理。主要结果如下:
　　 1、使用导电原子力显微镜(CAFM)研究了GeSi量子点在覆盖Si形成量子环的过程中其导电性质的变化。当未覆盖Si时,量子点呈现球冠形,其电导分布呈环状,在量子点侧面的导电性比其项部要好得多,并且一些量子点的导电分布呈非中心对称。当Si覆盖层厚度为0.32nm时,量子点形状由球冠形转变为{105}面的金字塔形,其导电分布为十字形,棱边强、侧面弱。当Si覆盖层厚度为2nm时,量子点形状完全转变为量子环,其导电分布为环状,量子环中心不导电。通过与AFM联合选择性化学腐蚀的方法得到的组分分布相对比可知:球冠形量子点的导电主要由组分决定并受到形貌的影响,金字塔形量子点的导电分布主要由组分以及棱边上的电场增强效应决定。对量子环而言,组分分布对导电分布影响不大,由形貌决定的电子结构可能对其导电分布起主要作用。
　　 2、对通过选择性化学腐蚀得到的不同Ge组分含量的量子环的电流分布图进行测试。结果发现,各种不同组分的量子环均为环状导电分布,与组分无关。参照现有的理论计算的结果,我们提出了量子环的导电机理:量子环的形貌决定其绝热势为环中心高,使得电子基态主要分布在量子环的环形区域,该区域的载流子浓度比其它位置高,使得量子环环形区域的导电性比富Ge的环中心好。SCM结果显示出在环形区域的载流子浓度比环中心高,验证了上述观点。另外从量子环的EFM结果发现,量子环的环形区域在外加电场下更容易感应产生电荷,表明环形区域的电场更大,从而也增加其导电性。
　　 3、使用CAFM研究了GeSi量子环在不同压力下的电流分布。电流分布和I-V结果都表明:随着力的增加,量子环和浸润区域的导电性增强;当压力超过一个阈值后量子环上的导电性变差,当压力足够大时浸润区域的导电性会超过量子环上的导电性。原因可能是大压力下测试时量子环磨损严重或者大压力扫描使得量子环被压矮,其形貌发生的变化导致了量子环中的电子态分布也发生改变。而量子点样品表面导电性都随着压力的增加而增大。这可能是由于量子点的高度比量子环大很多,压力变形或者磨损量相对整体高度比例较小,电子态变化微弱。
　　 最后,本论文通过对定位技术的描述以及TEM截面抛光工艺的考察提出了未来进一步研究量子点体系微观性质与特征的一些看法。