基于VLS机制的InGaAs_GaAs纳米线MOCVD外延生长研究.pdf
摘要
作为新一代光电子器件领域中的研究热点，GaAs基纳米线集一维材料结构
与GaAs基半导体材料的优点于一身，具有高迁移率、高漂移速度、高表面-体
积比等优异特性，在现代光电器件的发展中得到广泛的应用。通过优化纳米线
结构如径向异质结、“芯-壳”结构等，可以获得更加优异的光学与电学性能，因
而针对复合型纳米线的研究具有重大意义。然而，在InGaAs/GaAs异质结纳米
线的制备中，由于In原子的高活性以及Au-InAs的高表面能等因素，会出现纳
米线的扭结、倾倒、上细下粗等缺陷，极大程度的影响了纳米线基光电子器件
的发光质量。针对上述问题，本文开展了InGaAs/GaAs纳米线的外延生长工作，
利用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）技术，通过优化生长参数来调控
InGaAs/GaAs纳米线的生长质量，对其中蕴含的科学与技术问题进行深入的研
究。具体研究工作如下：
（1）当磁控溅射时间为4s，退火温度为600℃时合金液滴的均匀性最佳，
通过调控生长温度实现GaAs纳米线生长机制的转变；随着Ⅴ/Ⅲ比的增大，纳
米线的表面形貌变差并且出现了形似“自催化”机制的纳米线；揭示了掺杂对硅
基GaAs纳米线的调控机理，替位、空位缺陷导致本征GaAs纳米线呈现弱p型
导电性，Zn掺杂GaAs纳米线出现WZ/ZB混合结构。
（2）随着生长温度的升高，InGaAs纳米线的生长形貌得到改善，推测
InGaAs纳米线的倾倒、扭结是由反应室内的In簇团引起的；同时，探究了生长
温度为450℃、475℃时InGaAs纳米线出现局域态缺陷的问题，通过引入
AlGaAs“壳”层降低了表面态的影响，进而减小了InGaAs纳米线的局域态缺陷
深度。最后探究了不同In组分对InGaAs纳米线的影响，当In组分为0.05、0.1
时发光来源受到表面态影响仍为局域态缺陷跃迁；当In组分由0.1升至0.6时，
InGaAs纳米线的生长形貌发生恶化。
（3）InGaAs段生长温度应该低于GaAs段生长温度，温差越大异质结纳米
线交界面表面形貌越明显；同时，当InGaAs段生长温度为450℃、475℃时，
多异质结纳米线的发光来源收到表面态影响呈现出局域态缺陷跃迁；分析对比
GaAs、InGaAs、双异质结、多异质结纳米线的XRD衍射图斑，推测位于38°、
41°的衍射峰与异质结纳米线量子结构有关；过低的生长中断时间会加剧In偏
析，其发光来源也转变为缺陷相关跃迁，严重影响其发光特性；随着In组分的
增加，反应室中更多的气态In簇团会导致多异质结纳米线生长形貌变差。
以上研究加深了对高质量InGaAs/GaAs多异质结纳米线MOCVD制备技术
的理解，为纳米线基光电子器件的发展奠定了物理基础。
I
关键词：金属有机化学气相沉积；生长机制；InGaAs/GaAs纳米线；异质结纳
米线
II
ABSTRACT
Combiningtheadvantagesofone-dimensionalstructuresandGaAsbased
semiconductormaterials,GaAsbasednanowiresarearesearchhotspotinthefieldof
next-generationoptoelectronicdevices,whichhavebeenwidelyusedinthe
developmentofmodernoptoelectronicdevicesduetotheirexcellentcharacteristics
suchashighmobility,highdrift-speed,highsurface-to-volumeratio,etc.Bet