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间歇式源中断方式生长InGaAs量子点的生长工艺研究

刘珂  
【摘要】:量子点材料由于其具有分立的能级等特殊物理性质,因此应用量子点材料制备的光电器件频率宽度窄、性能良好。半导体材料InGaAs是直接带隙半导体材料,具有良好的光电性能,可以用于设计和制作激光器、光探测器等光电器件。光电器件的性能在很大程度上取决于有源层材料的形貌和生长质量。因此研究InGaAs量子点生长工艺的表面物理基础工作具有十分重要的意义。 本文主要工作为: 第一,本文利用分子束外延-扫描隧道显微镜联合系统制备和表征In0.5Ga0.5As量子点。主要研究了InGaAs量子点的生长工艺对其表面形貌的影响,分析了生长工艺对形貌影响的原因。在生长过程中采用源中断生长方式,目的是在中断的周期内给予表面原子充分的迁移时间,以使生长材料的表面形貌更均匀。在实验的最初阶段首先进行了InGaAs量子点基本生长条件的研究。对基本生长工艺探索完成之后,主要研究了三种生长工艺对量子点形貌的控制作用:Ga-模板法、周期性堆叠法、链状结构法。通过对比不同生长工艺下表面InGaAs量子点形貌的扫描隧道显微镜图像,分析了生长工艺对InGaAs量子点形貌影响的基本原理。 第二,本文应用热力学理论提出了分析和预测In0.15Ga0.85As表面岛熟化时间的唯象物理模型。利用此半平台扩散模型,通过对表面单原子平均扩散速度和平均扩散距离的计算,可以预测表面单层岛熟化所需的时间。通过分析STM图像,统计了表面岛的覆盖率,将覆盖率的拟合结果与半平台扩散模型计算而得的退火时间进行了对比,分析了半平台模型的误差,对其进行了修正。 研究结果显示,InGaAs量子点的尺寸随衬底温度的升高而增加,随着退火时间的延长而增加。采用上述三种生长工艺可以控制得到特定的InGaAs量子点的形貌。InGaAs单层岛的熟化时间可以采用热力学理论进行合理的预测。


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