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《云南大学》 2018年
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磁控溅射Ge/Si量子点的微结构优化和性能研究

舒启江  
【摘要】:Si基Ge量子点由于三维尺寸限制效应而展现出诸多新颖的光电性能,加之具有与Si基相兼容的巨大优势,有望成为未来光电子器件的基础材料。在过去近三十年间,Ge/Si量子点的生长和性能研究一直是低维材料领域的热点,其方法多以分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积技术为主。磁控溅射应用于Ge/Si量子点的生长始于近几年,实验探索、文献报道较少,量子点的演化机理尚不完整。针对磁控溅射高效、简易、低成本的优点,将其成功应用到优质Ge/Si量子点的生长对于未来实现量子点的工业化生产意义重大。本论文从磁控溅射Ge/Si量子点现有报道中Ge沉积厚度和Ge量子点尺寸较大的研究现状出发,以小沉积量情况下实现高密度、小尺寸Ge量子点的生长为目标,在对沉积速率进行标定、对设备温控系统表显温度和材料实际生长温度间温差进行校订、保证沉积速率和温度精准可控的前提下,获得了2 nm Ge沉积厚度下结晶性较好的小密度、小尺寸Ge/Si量子点。在研究过程中发现Ge/Si量子符合常规的Stranski-Krastanow(S-K)生长模式,但Ge浸润层厚度、Ge岛从金字塔形向圆顶形转变的临界尺寸(体积、直径、高宽比)均远远大于现有报道,这些“反常”现象可认为是由Ge沉积过程中薄膜的非整体晶化和位错的引入导致的。为了进一步提升量子点密度、减少内部位错缺陷、实现对小沉积量下小密度Ge/Si量子点的结构优化,尝试了不同退火方式、退火温度、退火时间对Ge/Si量子点形貌的影响,并获得了相应的依赖关系。结果表明,在一定范围内,原位退火温度和退火时间的增加均可有效提升量子点密度,但同时量子点尺寸也会随之大幅增加。而先降温,后快速退火可使量子点在尺寸增幅较小的情况下实现密度的急剧增加,效果优于原位退火,采用该方式获得了密度高达2.83×10~111 cm~(-2),横向尺寸为~24 nm的Ge/Si量子点;与此同时,对各量子点样品进行了光致发光及其光电器件性能的表征,获得了量子点光电性能的横向对比。表征结果中高密度、小尺寸的量子点展现了相对较优的光电性能,这与从形貌结构出发获得的理论预测是相一致的。在单层量子点生长参数的基础上,尝试了不同沉积温度下多层Ge/Si量子点的生长,并采用AFM、Raman、XRD、SEM进行了形貌结构的表征。结果表明,表层量子点的密度、尺寸、空间分布均匀性均随生长温度的升高而升高,可认为是由于Si层表面的结晶区比例随温度升高而增加所导致的。同样地,各样品的截面量子点尺寸也随生长温度的增加而增加,且同一样品中不同层量子点间存在形貌差异,主要是由各Ge沉积层间临界厚度和退火时间存在差异引起的。
【学位授予单位】:云南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O471.1

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【参考文献】
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