用空间电荷谱研究GeSi半导体低维量子结构的电学特性.doc

用空间电荷谱研究GeSi半导体低维量子结构的电学特性张胜坤，男，1972年02月生，1996年09月师从复旦大学王迅教授，于1999年07月获得博士学位。 要 GeSi半导体低维量子结构的电学特性。从理论和实验上对Si基Ge量子点的导纳谱进行了系统的分析。运用深能级瞬态谱(DLTS)研究了Si基Ge量子点的时间相关的空穴俘获过程。较深入地研究了GeSi/Si量子阱结构的电导电压特性。 1. 用导纳谱研究Si基Ge量子点的库仑荷电效应 (或空穴)被束缚在一个相对小的区域内，电子（或空穴）在其中表现出显著的库仑荷电效应，载流子之间强烈的库仑相互作用会引起能级结构的变化。研究量子点中的分立能级结构和库仑荷电效应，无论在理论上还是在实际应用中都具有重要意义。 Si中的自组织生长的Ge量子点的能级结构和库仑荷电效应，确定了空穴基态和第一激发态的能量位置以及库仑荷电能的大小。这一方法的测量温度区间在液氮温度（77K）以上，计算载流子能量的方法直观简便、精度高，允许量子点的尺寸存在较大的非均匀性分布，而且在计算能级的同时还可获得俘获截面的有关信息。 0.01(·cm的P型Si（100）单晶衬底片上用分子束外延的方法生长的。首先在衬底温度为600℃时生长一层厚度为100nm的Si缓冲层，然后在衬底温度为500℃时交替生长三个周期的Ge量子点层和50nm厚的Si间隔层，Ge层的淀积量为1.3nm。最后覆盖一层约400nm Si。当Ge的淀积量超过1nm时，反射式高能电子衍射(RHEED)图样中出现箭头，表明Ge已自组织凝聚成岛。样品横截面的透射电子显微镜的观察结果证实了Ge岛的形成，浸润层的厚度约为0.8nm，Ge岛的典型直径约为13nm，典型高度约为3nm。对在同样生长条件下制备的无覆盖层的Ge量子点层的原子力显微镜的观测显示，Ge岛的面密度约为2×108cm-2，尺寸的非均匀性小于10%。样品的正面蒸铝形成肖特基接触，背面蒸铝形成欧姆接触。 HP4275A型的LCR仪上进行的。测试时分别取五个不同的频率1MHz、500KHz、300KHz、100KHz和50KHz。温度扫描的区间为~100-250K。在0.2V~-1.4V的电压范围内，每间隔0.1V作了导纳谱测量。通过计算可得到不同偏压下空穴的激活能。不难发现，激活能随偏压变化呈现几个分立值，分别为417（Ea1388（Ea2263（Ea3,233（Ea4202（Ea5meV。这五个分立的能量值反映了Ge量子点的分立能级结构和库仑荷电效应。当外加偏压从-1.4V增至0.2V的过程中，空穴从基态至激发态逐个填充量子点中的束缚能级。由于空穴间强的库仑相互作用，即使同一能态上的空穴在向Si价带发射时也会因先后次序的不同而在能量上存在差别，这一差别约为30meV，因此可以判定这一能量差别来源于库仑荷电效应。而Ea1Ea2分别代表了量子点的基态能级上两个空穴先后发射的能量，Ea3、Ea4、Ea5分别代表了第一激发态能级上三个空穴先后发射的能量。通过计算可得到不同激活能的空穴的俘获截面，发现俘获截面与激活能是指数相关的。其数值在~10-8—10-11cm2之间，比一般半导体中的缺陷的俘获截面要高数个量级。这表明量子点具有极强的俘获载流子的能力。实验结果表明，这一方法具有测量温区高、信号强、简便、直观等优点。 ? ? 2. 用深能级瞬态谱研究Si基Ge量子点的空穴俘获过程 (DLTS)研究了Si基Ge量子点的时间相关的空穴俘获过程，并用深能级瞬态谱观察到了Si基Ge量子点中的轻重空穴的发射，确定了其能量位置。通过改变脉冲宽度的DLTS测量，观察到了Ge量子点逐个俘获空穴的过程。由于库仑荷电效应，从Ge量子点中空穴发射引起的DLTS峰的峰位，将随着量子点中空穴数目的增多而向低温方向移动。 DLTS实际测量样品时，正面施加一个脉冲宽度为tpGe量子点。从零到tpN0为止。若在量子点达到饱和填充之前就结束脉冲，就可以达到通过调节脉冲宽度来控制填充空穴的数目的目的。脉冲过后，在反向偏压下空穴将从量子点中某能级发射至Si价带顶，在DLTS曲线中将形成DLTS峰。由于库仑荷电效应，同一能态上的空穴的激活能会随着填充空穴的数目的增多而降低，从而引起DLTS峰向低温方向移动。 DLTS测量，可以观察到空穴从量子点中三个不同能级上发射所对应的DLTS信号峰，其激活能分别为b1: 470(10meV，b2: 420(10meV，b3: 295(5meV，这对应于轻、重空穴能级LH0、HH0及第一激发态能级HH1。通过变脉冲宽度的DLTS测量，对量子点中在第一激发态能级上逐个俘获空穴的过程进行观察。实验表明，该能级俘获空穴所需的时间比量子阱和缺