自组装Ge/Si量子点的研究进展

回顾与总结了该实验室对自组装Ge/Si(001)量子点的近期研究进展.着重介绍了生长在Si(001)衬底上的Ge量子点的形貌演变过程;多层Ge量子点的结构分析;Ge量子点结构的光学电学性质的表征;以及提高Ge量子点尺寸和分布均匀性的各种方法.     

自组装Ge量子点热扩散效应的XAFS研究

利用荧光X射线吸收精细结构（X-ray absorption fine structure，XAFS）方法研究了分子束外延生长的自组装Ge／Si（001）量子点的扩散效应．原子力显微镜结果表明，在550℃的生长温度下形成了面密度为5．2×10^11 cm^-2的高密度小尺寸量子点．XAFS结果表明，生长的Ge量子点样品覆盖Si层后在550℃温度退火，对Ge／Si之间的热扩散混合的影响较小．随着退火温度升高到800℃，Ge原子的第一近邻配位壳层中的Ge-Si配位的无序度由4．0×10^-5 nm^2降低到2．9×10^-5 nm^2，配位数由3．3升高到3．8，这表明Ge量子点样品中的Ge原子的近邻主要为Si配位原子，高温退火显著增加了Ge原子在Si层中的扩散．     

InAs/GaAs量子点生长的KMC模拟

采用动力学蒙特卡罗(kinetic Monte Carlo,KMC)模型模拟了Ga As应变弛豫图形衬底上In As量子点生长的初始阶段.Ga As应变弛豫图形衬底是通过在其衬底中埋藏已制备的In As量子点得到,并运用格林函数法计算在不同的埋藏深度下衬底表面的应变能,然后将计算结果运用到生长模拟过程中.模拟中分别考虑了温度、沉积速率和埋层深度对量子点生长的影响.模拟结果表明:通过控制生长温度和沉积速率能形成均匀、有序分布的2D岛;埋层深度越大,越不利于沉积原子聚集.     

空穴型Si/SiGe共振隧穿二极管及其直流参数提取

共振隧穿二极管因其特有的负微分电阻特性,成为一种很有前途的基于能带工程的异质结构量子器件.采用超高真空外延技术,以p型重掺杂硅为衬底生长出以4 nm厚Si0.6Ge0.4层为空穴量子阱、以4 nm厚Si层为空穴势垒的双势垒单量子阱结构.然后用常规半导体器件工艺制成了空穴型共振隧穿二极管.在室温下对面积为8 μm×8 μm的共振隧穿二极管进行测量,其峰值电流密度为45.92 kA/cm2, 电流峰谷比为2.21. 根据测量得到的电流电压特性考虑串联电阻的影响,提取出共振隧穿二极管的直流参数.可以利用这些参数将共振隧穿二极管的直流模型加入SPICE电路模拟软件器中进行共振隧穿二极管电路设计.     

采用低温缓冲层技术在Si衬底上外延生长Ge薄膜

利用超高真空化学气相淀积系统,在Si(100)衬底上外延采用低温缓冲层技术外延生长Ge薄膜。实验测试得到外延Ge的X射线双晶衍射曲线半高宽为537arc sec,应变为0.2%。在室温下观测到外延Ge的直接带跃迁光致发光,发光峰位为1560 nm,表明生长的Si基Ge材料具有良好的质量。     

Si(111)表面上Ge量子点的理论研究

采用DFTB+计算方法对在Si(111)表面上三种不同形状的Ge量子点结构(六边形岛状量子点、条形岛状量子点以及光栅形量子点)进行结构优化,并采用CASTEP对结构的能量及光学性质进行计算。对这几类Ge量子点表面纳米结构的光学性质(介电函数、光吸收、复折射率、反射率)进行深入分析,经过比较后会发现这三种结构中光吸收能力最好的结构是条形岛状量子点纳米结构。     

InAs/GaAs量子点生长中应力分析

围绕InAs（InGaAs）/GaA叠层量子点电池的制作,本文通过文献研究和对近邻面生长实验研究认为,InAs/GaAs量子点生长形貌和特性受生长环境条件和生长条件影响。其中,客观、不可改变的外延层与衬底晶格常数、生长台面、超晶格结构等环境条件对量子点生长最为重要。这些环境条件通过生长应力,决定了量子点生长中的有序成核、生长、合并,直至出现缺陷的多晶体生长,其作用贯穿整个量子点生长过程。     

InAs/GaAs量子点生长条件的优化

论文研究了InAs量子点的生长条件，通过实验得到了生长温度、沉积厚度不同下的量子点生长情况。引入Sb表面活化剂进行实验，优化了制备尺寸不同、密度相近的两种量子点的生长条件。     

Si上Ge薄膜特性研究

为了克服Ge雪崩光电二极管(APD)中因Ge的电子与空穴的碰撞离化系数相差不大带来的的较大噪声的缺点,拟研制一种新的器件--Ge/Si的吸收倍增分离雪崩光电二极管(SAM-APD). 先在n-Si衬底上用B+ 注入和分子束外延(MBE)2种方法分别形成p-Si,然后用MBE的方法在其上外延一层Ge膜.利用透射电镜、X光双晶衍射、Hall剥层测量等方法对Ge膜的单晶质量、电特性以及材料的p-n结特性做了分析比较,得到的结论是:Ge膜的单晶质量、电特性都比较好,直接生长的Ge膜的质量要优于经离子注入的Ge膜;但p-n结特性却是经离子注入的要好于直接生长的.     

CdS_xSe_(1-x)量子点异常的变温光致发光谱特性研究

采用一种简单的旋涂热蒸发方法在InP衬底上制备出CdSxSe1-x量子点.利用变温光致发光谱(温度范围:10～300K)研究CdSxSe1-x量子点的光学特性.在温度为180～200K范围内,光致发光谱的积分强度随温度升高呈现出一种异常现象.当温度由10K升至300K时,带隙能红移61.34meV.根据Vegard定律,由X射线衍射数据和室温光致发光谱峰位能量计算得到CdSxSe1-x量子点中S和Se的成分比为0.9:0.1.此外,通过光致发光谱峰位能量和曲线拟合得到CdS0.9Se0.1量子点材料Varshni关系参数为:α=(3.5±0.1)10-4eV/K,β=(210±10)K.     

Research progress of self-organized Ge quantum dots on Si substrate

A review is presented on recent research development of self-organized Ge/Si quantum dots (QDs).Emphasis is put on the morphological evolution of the Ge quantum dots grown on Si (001) substrate,the structure analysis of multilayer Ge QDs,the optical and electronic properties of these nanostructures,and the approaches to fabricating ordered Ge quantum dots.     

Ge量子点材料的制备工艺研究

采用射频磁控技术,用Ge、SiO_2的复合靶制备锗纳米晶镶嵌在二氧化硅中的复合薄膜.作为量子点的Ge纳米晶粒的尺寸是决定这类材料物性的关键,因而研究对镶嵌在SiO_2中的Ge晶粒尺寸调制的工艺十分重要.本文研究了制备过程中各种工艺参数与薄膜中Ge晶粒尺寸的关系.结果表明通过溅射时控制基片温度能有效地对锗晶粒尺寸进行调制.     

Local Structure of Ge／SI（100） Self—Assembled Quantum Dots

Ｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｍｉｓｍａｔｃｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅａｎｄｔｈｅｏｖｅｒｇｒｏｗｎｌａｙｅｒａｌｌｏｗｓｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｅｌｆ ａｓ ｓｅｍｂｌｅｄｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ (ＱＤｓ)ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＳｔｒａｎｓｋｉ Ｋｒａｓｔａｎｏｖｍｅｃｈａｎｉｓｍ[1,2 ] .Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｖａｒｉｏｕｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｙｓｔｅｍｓ,ａｎｄｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒｔｏＧｅ/Ｓｉｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ(Ｑ…     

Local Structure of Ge/Si(100) Self-Assembled Quantum Dot

Local structure of uncapped and Si-capped Ge quantum dots grownon Si(100) has been probed by X-ray absorption fine structure spectroscopy. It is found that the uncapped Ge dots are partially oxidized and partially alloyed with Si. The amount of Ge present in the Ge phase is found to be about 20-30%. In the Si-capped sample, Ge is found to be dissolved in silicon, the fraction of Ge atoms existing as pure Ge phase being not more than 10%.     

锗/硅量子点形貌随退火温度的变化与电学特性研究

研究了锗(Ge)量子点薄膜表面形貌随退火温度的变化及其相应的电学特性。以锗烷为主要反应气体,应用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在300℃温度、p-硅(100)基片上沉积了锗量子点薄膜,然后分别在400℃、500℃、600℃温度下退火。应用原子力显微镜(AFM)系统地观察了锗量子点薄膜的二维、三维图像,发现原位生长的锗量子点尺寸起伏大、薄膜表面比较粗糙。退火后,锗量子点分布趋于均匀,并且随退火温度的升高,量子点呈一定的取向排列,表面变得平整。通过电流-电压(I-V)和电容-电压(C-V)测试,发现锗量子点薄膜具有良好的电学特性。随退火温度的升高,电流、电容显著增大,漏电流减小,说明退火后,锗量子点薄膜晶界和粗糙度减小,使样品的表面、界面特性更好。     

Ge纳米结构的制备技术与发光特性研究进展

Si基纳米发光材料与器件的研究是目前半导体光电子技术领域中的一个活跃前沿.除了Si纳米晶粒、Si量子点和Si/SiO2超晶格等Si纳米结构之外,属于同族元素的Ge纳米结构也因其所具有的优异特性,而呈现出良好的发光性能.评述了Ge纳米结构的制备方法与发光特性在近年内取得的研究进展.     

CsPbI3量子点在不同极性溶剂的光学特性

全无机钙钛矿CsPbI₃量子点具有发射谱线窄、荧光量子产率高和稳定性强等特点,在红光LEDs和新型太阳电池领域具有广阔的应用前景.本文通过热注入法在正己烷溶剂中合成了CsPbI₃ 量子点, 并对其结构和光学特性进行表征,结果表明,量子点主要的发光机制是量子限制区自由激子复合.通过改变溶剂的种类(正己烷、甲苯、乙酸乙酯、乙酸甲酯)对量子点的光学特性进行了调整,研究发现随着溶剂极性的增加,发光峰位从615 nm红移至660 nm,这是因为极性溶剂对量子点表面具有修饰作用,通过改变溶液极性实现CsPbI₃量子点发光峰位调节的条件为制备波长可调的光电器件提供了一定的实验参考.     

分子束外延InAs量子点材料的透射电子显微镜研究

报道了利用分子束外延技术在（００１）ＧａＡｓ衬底上生长的单层及多层ＩｎＡｓ量子点材料的透射电子显微镜（ＴＥＭ）研究结果,并对量子点的结构特性进行了讨论。结果表明,多层量子点呈现明显的垂直成串排列趋势;随着ＩｎＡｓ量子点层数的增加,量子点的密度下降,其尺寸随层数的增加趋向均匀,在试验条件下,５层量子点材料的ＩｎＡｓ量子眯厚度和ＧａＡｓ隔离层的厚度的选择都比较合理,其生长过程中的应变场更有利于自组织量     

Effect of substrate miscut on the electron mobility in InSb（001） structures on Ge and Ge-on-insulator substrates

InSb epilayers and InSb/Al0.20In0.80Sb quantum wells were grown on Ge(001)substrates and Ge-on-insulator(GeOI)-on-Si(001)substrates by molecular beam epitaxy.Growth on both on-axis and 4°-off-axis substrate orientations was studied.Anti-phase domains were formed when InSb films were grown on on-axis substrates,but suppressed significantly by the use of 4°-off-axis substrates.Such off-axis substrates also reduced the densities of micro-twin defects and threading dislocations.The defect reduction resulted in an increase in the room-temperature electron mobility from 37,000 to 59,000 cm2/Vs in 4.0-lm-thick InSb epilayers and from 10,000 to20,000 cm2/Vs in 25-nm-thick InSb quantum wells on Ge(001)and GeOI-on-Si(001)substrates.