半導體量子結構的生長方式(共12頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上學校代碼： 學 號：科研訓練報告題 目：半導體量子結構的生長方式學生姓名： 學 院：理學院 班 級：指導教師： 2012年 09 月 12 日一、國內外研究進展及研究意義1.1 國內外研究現狀和發(fā)展動態(tài)半導體量子結構的生產方式有三種，包括量子點、量子線，量子點三種方式，量子點是在把、及在三個空間方向上束縛住的。 美國科學家首度利用光將膠狀(colloidal)半導體量子點(quantum dot)磁化，且其生命周期遠遠超過先前的記錄。這個結果除了能激發(fā)更多基礎研究，對于同時利用自旋與電荷的自旋電子元件(spintronics)領域，也是一項重大的進展。直到目前，半導體

2、只能在相當低溫下呈現磁性，原因是磁化半導體納米微粒需要靠激子(exciton)之間的磁性交互作用，但此作用的強度在30 K附近就不足以對抗熱效應。最近，華盛頓大學的Daniel Gamelin等人制造出摻雜的納米微晶，它們的量子局限效應(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可長達100 ns，比先前的記錄200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人員利用光將激子注入膠狀納米微晶中，產生相當強的光誘發(fā)磁化(light-induced magnetization)現象。華大團隊成功的關鍵在于以磁性錳離子取代鎘化硒(CdSe)半

3、導體納米微晶中的部份鎘離子。這些懸浮在膠狀溶液中的微晶大小不到10 nm，照光時內部產生的強大磁場可將錳離子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的過程非?？欤诵诘蜏貢r非常強，且可維持到室溫。這要歸功于第一次在研究中被觀察到的高溫磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。上述團隊舍棄以傳統(tǒng)的分子束磊晶法(MBE)，而改用新的化學方法直接合成磁性半導體量子點。Gamelin解釋，由于摻質-載子間的交互作用夠強，EMP穩(wěn)定性因而增強超過100倍，所以才能在300 K下觀察到磁化效應。美國科學家開發(fā)出一種新型的電子膠(electronic glue)，能將個別

4、的納米晶體(nanocrystals)連接在一起。這種電子膠還能用來制作大面積的電子元件和光伏(photovoltaics)元件。利用旋轉或浸泡涂布(dip coating)和噴墨印刷等溶液類制程來制作大面積太陽電池，例如便宜的屋頂太陽能面板，是高成本效益的方法。不過這些技術必須讓半導體溶解，以方便做為墨水(ink)使用。半導體納米微晶是微小的半導體塊狀物，是制作此類墨水的理想材料。然而，在納米微晶表面由龐大、絕緣有機分子組成的表面配位基，會阻隔納米晶體間的電荷轉移，造成印刷陣列內的個別納米微晶彼此連結不佳，這點大大降低了納米微晶在太陽電池和其它的元件上的應用。最近，芝加哥大學的Dmitri

5、Talapin等人開發(fā)出一種新的化學材料，能讓個別納米微晶以強連結的方式相互結合成陣列，克服了前述的問題。Talapin表示，他們的方法提供一個材料設計的多功能的平臺，將會對電子元件、光伏元件和熱電(thermoelectrics)元件的制作帶來沖擊。另外，此方法提高全溶液(all-solution)元件制作的可能性，讓此材料在連續(xù)式滾筒(roll-to-roll)制程的應用上增添不少吸引力，例如薄膜太陽能電池的制作。研究人員使用一種名為復合金屬硫化物(metal chalcogenide complex)的材料，來將膠體狀的納米晶體相互黏合。其配位基較先前使用的有機配位基更為穩(wěn)定、堅固，而且

6、不會改變納米晶體的化學性質，還可讓納米晶體間的電荷轉移更有效率。Talapin等人確實觀察到系統(tǒng)中的導電率有增加的趨勢。目前，該團隊正在研究如何在實際應用上使用納米晶體的連接技術，并且調查除了金屬硫化物材料外，是否還有其它合適的材料。芝加哥大學已授權Evident Technologies公司在熱電應用上采用此技術。詳見Science DOI: 10.1126/science.。此外，膠狀半導體量子點與軟式微影術(soft lithography)及噴墨印刷術(in-jet printing)等常見的制程相容。Gamelin認為膠體可望成為納米科技在各種元件應用上的新工具箱。量子點的應用非常廣

7、泛，因為它們控制的尺寸L反過來控制了當晶體被短波光照時發(fā)射光的波長，這些短波光在半導體帶隙兩端產生電子-空穴對。量子點在溶液中生長，然后以優(yōu)美方式被包裹，首先保護半導體晶體不與水環(huán)境接觸，然后進一步包裹并將這個熒光標記連接到想要的組織類型上。半導體(InAs)量子點在一些特定類型激光上有獨特的應用。激光被廣泛應用于通信、音響器材制造，如CD播放機。這些在通信方面的應用同樣基于發(fā)射譜的可調諧性，即通過調節(jié)尺寸L來調節(jié)發(fā)射譜。然而，這些量子點要并入激光器的異質結中，以使電子從結的一邊注入，空穴從另一邊注入。所以這些量子點是被電“泵入”到一個不穩(wěn)定的電子態(tài)，和前面的應用完全一樣，這個電子態(tài)將輻射光子

8、。這就是所謂的注入式激光器，在工業(yè)中有很多應用。但是問題是：怎樣在異質PN結中生產量子點。答案是應用外延薄膜生長技術：在超高真空室中使用分子束外延生長設備在單晶基片上外延生長薄膜，在具有應力的GaAs(100)方向上外延生長的InGaAs量子阱結構可以自組裝InAs量子點。這是外延生長InAs量子點的一個例子4。外延生長意味著材料在超高真空的條件下以合適的沉積速率和合適的基體溫度按照與基體相同的晶格持續(xù)地沉積生長。即使化學組分改變外延性也會一直保持，但在生長層中會有應力存在。例如，在GaAs基片上生長GaAs時向Ga束中加入一些In，如果In的含量不是很大，可以得到一個完美的InGaAs晶體層

9、，只是有輕微的應力。將In加入生長層的效果，從電學的角度看，是減少局部的帶隙能量Eg， GaAs和InGaAs的交替層產生一個方形波帶隙調制，這就叫做量子阱結構。電子會被隔離在層中，層的帶隙更小(降低的導帶邊)。這些電子在二維能帶中，因為InGaAs層的厚度很小，所以會提高遷移率，載流子會在遠離施主離子電荷的區(qū)域集中，同時施主離子電荷會散射它們，使遷移率變得更低。如果加入In的含量提高，會使局部的應力升高，從而使量子點情形出現，最后外延性將不會進行，而會在局部有InAs出現。這些就是自組裝的InAs量子點，它們的尺寸(或其發(fā)射光譜)在生產過程中可以通過沉積條件的細節(jié)加以控制。這是分子束外延(M

10、BE)技術制造量子點的先進方法，稱做局部偏離外延性法。用這種方法使激光器的效率大大提高，因為量子點有原子一樣非常窄的光發(fā)射范圍。1.2 研究意義人們采用自組織方法生長納米量子點的初衷之一, 則是設制并制作量子點激發(fā)器。因此, 材料物理學家們在采用這種方法, 生長各類高質量量子點結構的同時, 便開始進行了這方面的研究探索, 并獲得了初步進展?，F就其中的兩種加以簡單介紹。垂直腔面發(fā)射激光器( VCSEL)圖11是由H. Saito 等人5采用自組織生長制作的量子點垂直腔面發(fā)射激光器( QDVCSEL) 。其襯底是GaAs( 100) 基片, 襯底上的分布型布喇格反射鏡( DBR) 多層膜, 在襯底

11、側是18周期, 在表面?zhèn)仁?4周期, 中間是10個周期的In015Ga015As量子點有源區(qū)。采用這種結構和利用蝕刻技術制備了25Lm2的面發(fā)射激光器。圖12示出了室溫條件下的電流-光輸出特性和振蕩光譜。在連續(xù)狀態(tài)其閾值電流為32mA, 振蕩波長為962nm。由于采用這種結構實現了室溫下的連續(xù)振蕩, 因而表明采用S-K模式自組織生長的量子點結構是可以應用于激光器制作的。對于垂直共振腔面發(fā)射激光器而言, 激光振蕩波長由共振器的共振波長所決定。因此,可以利用電流注入來評價從端面的發(fā)光特性, 并揭示其振蕩機理。圖13示出了集層量子點結構的EL譜, 圖中的垂直點線是垂直共振器的共振峰。由圖可以清楚看出

12、, 隨著注入電流的增加, 其發(fā)光強度亦明顯增加, 并出現譜峰藍移現象。這種譜峰藍移行為起因于, 由于注入電流的增加, 引起了電子在高能級間的躍遷所導致。 InAs/ GaAs量子點激光器 Y. Sugiyama等人6采用MBE以自組織方式在GaAs( 100) 襯底上制備了InAs量子點, 其高度為5nm, 直徑為20nm。為了提高光增益, 共制作了三層量子點結構。300K下的PL譜證實, 在1113Lm附近觀測到了來自于基態(tài)能級的發(fā)光, 其峰值半寬為80meV。這個較寬的發(fā)光峰起因于量子點的尺寸與組分的不均勻性。 圖14是量子點層數N= 1和共振器長度為L= 300Lm的激光器的EL譜。很顯

13、然, 由于量子點的離散能級, 在EL譜中出現了明顯離散的譜峰。其中長波長側的譜峰與基態(tài)能級相對應, 一直觀測到第三個激發(fā)態(tài)能級, 最短波長的譜峰是來自于InAs浸潤層。由圖還可以看出, 由于高激發(fā)態(tài)能級的簡并度比低激發(fā)態(tài)能級的大, 所以隨著注入電流的增加, 高激發(fā)態(tài)能級將具有更強的發(fā)光效率。圖15示出了具有不同量子點層數(N)和共振器長度(L) 激光器的EL譜。由圖可見, 當量子點層數N= 1, 共振器長度L 從300Lm變化到900Lm時, 激光振蕩的能級從浸潤層移到第三激發(fā)態(tài)能級。對于共振器長度L= 900Lm的激光器, 當量子點層數由N=1增加到N= 3時, 其光增益明顯增大, 其激光振

14、蕩從第三激發(fā)態(tài)移向了第二激發(fā)態(tài)能級。對于量子點層數N=3和共振器長度L=900Lm的激光器, 可實現室溫下的連續(xù)振蕩。 1.3 主要參考文獻1 彭英才等. 真空科學與技術學報.1996, 16:1852 彭英才 半導體量子點的自組織生長及其應用.半導體雜志，1999,(03)3 莊乾東,李晉閩,曾一平,潘量,孔梅影,林蘭英 . 紅外與毫米波學報,1998,(06)4 Saito H, et al. Appl.Phys. lett., 1996,69:31405 Sugiyama T, et al. Jpn. J.Appl.Phys. , 1996, 35:13206 西研一等. 應用物理(日)

15、 , 1998,67: 7937 彭英才.固體電子學研究與進展, 1997,17:165二、研究內容及方案2.1 研究內容 將以極化為特征 具有豐富功能特性的介電氧化物材料通過外延薄膜的方式，在半導體GaN上制備介電氧化物/GaN集成薄膜，其多功能一體化與界面耦合效應可推動電子系統(tǒng)單片集成化的進一步發(fā)展。然而，由于2類材料物理化學性質的巨大差異，在GaN上生長介電薄膜會出現嚴重的相容性生長問題采用激光分子束外延技術(LMBE),通過彈性應變的TiO2的緩沖層來減小晶格失配度，降低介電薄膜生長溫度，控制界面應變釋放而產生的失配位錯，提高了介電薄膜外延質量; 通過低溫外延生長MgO 阻擋層，形成穩(wěn)

16、定的氧化物/GaN界面，阻擋后續(xù)高溫生長產生的擴散反應; 最終采 用TiO2/MgO組合緩沖層控制介電/GaN集成薄膜生長取向、界面擴散，降低集成薄膜的界面態(tài)密度，保護GaN半導體材料的性能所建立的界面可控的相容性生長方法，為相關集成器件的研發(fā)提供了一條可行的新途徑。 2.2 研究方案 氧化物介電材料具有鐵電、壓電、熱釋電、高介電、非線性光學等多種性能，在電阻、電容、電感、微波電路元件以及其他無源電子器件中有重要和廣泛的應用半導體材料具有電子輸運特性，是微電子和光電子工業(yè)的基礎材料，成為各種有源電子器件的支撐主體近年來，電子信息系統(tǒng)的微小型化和單片化的需求，不斷促進了電子材料的薄膜化和電子器件

17、的片式化的快速發(fā)展。為此，將功能氧化物材料與半導體材料通過固態(tài)薄膜的形式生長在一起，形成介電半導體集成結構，利用這種集成薄膜的一體化特性，可將介電無源器件與半導體有源器件集成，實現有源 無源的多功能集成化和模塊化，增強集約化的系統(tǒng)功能，促進電子系統(tǒng)小型化和單片化。另一方 面，在介電半導體集成薄膜中，可利用介電材料大的極化和由于界面晶格失配引入的大的界面應變，來調控半導體的輸運特性( 載流子濃度和遷移率等)，有可能通過界面誘導和耦合出現新的性能，為新型電子器件的制備提供新的自由度。所以介電與半導體集成，無論在科學意義上，還是在器件應用上，都具有十分重要的研究意義。 由于介電半導體集成薄膜的生長和

18、性能研究有極大的科學研究價值和重要的應用前景 ，所以已逐漸引起了包括美國 DOE 和 DAPA 等國內外一些研究機構的關注和資助 ，并在理論和實驗方面進行了探索 。采用緩沖層的方法在 GaN 半導體上制備氧化物外 延薄膜是一種可行的方法，如 Penn State 大學在 GaN 上采用 TiO2 作為緩沖層制備了外延的多鐵BiFeO3 薄膜，但過厚的緩沖層影響了介電與半導體性能的相互作用 。在我們最近開展的研究中 ，采用激光分子束外延 ( L-MBE) 方法 ，可實現在原子尺度上介電 / 半導體集成薄膜的可控生長 ，用納米厚度的 TiO2 誘導生長了高 質量的介電薄膜 SrTiO3 ，但進一步

19、研究發(fā)現界面仍然存在一定的反應擴散 。一般來講 ，緩沖層材料必須要 滿足以下條件 : 與基片和薄膜的晶格失配均較小 ； 緩沖層在熱力學上處于穩(wěn)定狀態(tài) ，能與膜和基片形 成穩(wěn)定接觸 ； 電學性能應達到相應器件的要求。采用激光分子束外延 ( Laser-Molecular Beam Epitaxy) 方法在 GaN 襯底上生長 SrTiO3介電氧化物薄膜和 MgO ，TiO2 緩沖層 。實驗中使用中電集團 55 所通過金屬有機物氣相沉積 ( MOCVD)方法在 c 取向藍寶石基片上生長的 2m GaN 厚膜和 AlGaN / GaN 異質結作為襯底 ，采用固相燒結的 STO ，MgO ，TiO2陶

20、瓷作為靶材 。激光器為德國 LAMBDA PHYSIK 公司生產的 Compex 20 1 KrF 準分子激光器 ( 脈沖寬度為 30 ns 、波長為248nm) 。實驗中采用頻率范圍為 15 Hz ，能量 100 150 mJ 的脈沖激光轟擊陶瓷靶面進行薄膜制備 。采用反射式高能電子衍射( RHEED)原位實時監(jiān)測氧化物薄膜的外延生長過程 ，并通過與計算機相連的 CCD 相機進行數據采集和圖像處理 。 采用英國 BEDE公司生產的 BEDE D1 型四圓衍射儀對在 GaN 襯底上制備的氧化物薄膜生長取向以及外延關系進行分析。采用 ESCALAB MK-II 能譜分析儀進行深度剖析的 X 射線

21、光電子能譜分析儀獲取多層薄膜化學成分的深度分布 ，以確定不同緩沖層對界面擴散的阻擋作用 。此外，本研究還通過半導體載流子輸運特性和 界面態(tài)密度測試研究了不同緩沖層對集成薄膜電學性能的影響。其中，半導體載流子輸運特性使用自行搭建的變溫霍爾效應儀器系統(tǒng)進行測試 ，該系統(tǒng)包含可換向永磁磁鐵 、SV12 變溫恒溫器 、CVM200電輸運性質測試儀 、霍爾探頭等設備 。采用 HP4 155B半導體參數測試儀測量集成薄膜漏電流特性。 三、研究計劃第1周第2周：查閱各種相關資料，將各種設備準備完畢，為接下來的工作做好充分的準備。第3周第10周：做實驗，在不懂得時候咨詢老師，以及查閱各種書籍，上網詢問或者運用

22、各種手段將其弄懂。第11周第13周：寫論文，將實驗數據進行整理，并將實驗結果進行總結，在實驗報告上明確的寫出。 4、 預期研究結果 采用激光分子束方法研究了 STO 薄膜在 GaN 半導體基底上的生長行為 ，通過對緩沖層 的設計和制備，實現了 STO 介電氧化物薄膜在 GaN 半導體上的外延生長的同時，保護了 GaN 的半導體特性。(1)大晶格失配和界面擴散2方面因素降低了在GaN 半導體上直接生長的 STO 薄膜晶體質量，破壞了GaN 的半導體性能。(2)利用TiO2緩沖層降低了STO與GaN直接生長的晶格失配度，將STO薄膜生長溫度降低了200 ，通過控制TiO2厚度可以調節(jié)應變釋放產生的

23、失配位錯分布，提高STO薄膜外延質量 。(3)通過低溫外延生長MgO阻擋層，形成穩(wěn)定的氧化物/ GaN界面 ，阻擋了后續(xù)高溫生長產生的擴散反應。(4)最終提出了采用TiO2/ MgO復合緩沖層實現STO介電薄膜與GaN的外延生長、界面擴散 ，保護 GaN 基半導體材料的性能 ，建立了界面可控的相容性生長方法，為相關集成器件的研發(fā)提供了材料制備方法 。 本科生科研訓練綜合成績評價表學生姓名 張俊勇 學 號4 班 級 電科09-2學 院 理學院專 業(yè) 電子信息科學與技術題 目 半導體量子結構的生長方式成績組成評 價 內 容得 分平時成績（30分）出勤、紀律、平時表現等報告成績（50分）綜合運用知識的能力、應用文獻資料和外文的能力、研究方案的設計能力、報告撰寫水平等答辯成績（20分）自述的內容、語言、條理性和總體效果，回答問題的準確性、完整性等總分（100分）綜合評定成績（五級分制）：科研訓練綜合評語：（根據學生能力水平、報告撰寫質量、學生在科研訓練實施過程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內容的評價）指導教師簽字： 年 月 日科研