半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)及其應(yīng)用

1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)及其應(yīng)用彭英才(河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院,保定,071002摘要:所謂半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng),是指具有較大晶格失配度的兩種材料,依靠自身的應(yīng)變能量,并以Stranki2Krastanov(S2K生長(zhǎng)模式,在襯底表面上形成的具有一定形狀、尺寸和密度分布的自然量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了納米量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng),自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)的發(fā)光特性及其在光電器件中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體量子點(diǎn);自組織生長(zhǎng);發(fā)光特性;器件應(yīng)用中圖分類(lèi)號(hào):TN248;TN365文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-3077(1999-03-0040-11 Self2Organized G row th of S

2、emiconductorQ u antum Dots and its ApplicationsPeng Y ingcai(College of Electronic and informational Engineering,Hebei University,Baoding,071002 Abstract:The self2organized growth of semiconductor quantum dots are spontaneous quantum dot structures formed by Stranki2Krastanov growth mode.In general,

3、the formed semiconductor quantum dots are lattice mismatched systems with substrate materials,and they have certan size,shape and density.This paper introduces ultimate principles of self2organized growth on semiconductor quantum dots,self2organized growth machnism on various quantum dots,optical pr

4、operties and its applications in photoelectronic devices.K ey w ords:Semiconductor quantum dot;Self2organited growth;Optical properties;Device applications1引言半導(dǎo)體量子點(diǎn)微結(jié)構(gòu)的研究是80年代中后期發(fā)展起來(lái)的。它所具有的強(qiáng)三維量子限制作用,使其在量子點(diǎn)激光器等光電器件中具有潛在的應(yīng)用。早期的研究中,人們多采用選擇區(qū)域外延(SAE生長(zhǎng)技術(shù)制備這類(lèi)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)1。但采用這種工藝一般要通過(guò)化學(xué)干式或濕式蝕刻方法,預(yù)先在襯底表面上制備出掩模圖形,或

5、采用強(qiáng)激光束或電子束直接輻照生長(zhǎng)表面。這就不可避免地使襯底表面受到工藝損傷,以致于引起大量晶格缺陷、載流子俘獲陷阱以及非發(fā)光中心等。同時(shí)也由于量子點(diǎn)陣列所占的實(shí)際空間比例較小,因而難以獲得預(yù)期的量子封閉效應(yīng)。收稿日期:1999-03-16近年,隨著低維材料物理研究的不斷深入和材料生長(zhǎng)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步,人們開(kāi)發(fā)了一種新的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的新方法,即自組織生長(zhǎng)(Self2organized Growth或Self2Assembled Growth2。它是采用諸如分子束外延(MB E、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD、原子層外延(AL E以及低壓化學(xué)氣相沉積(L PCVD等工藝技術(shù),使具有較大晶格失配

6、度的兩種材料,依靠自身的應(yīng)變能量并以S2K生長(zhǎng)模式,在襯底表面上形成的具有一定結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小和密度分布的納米量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。目前采用這類(lèi)生長(zhǎng)技術(shù),已在不同襯底材料上制備了2族的、2族的以及2族的半導(dǎo)體量子點(diǎn)。本文首先介紹自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)的基本原理,然后重點(diǎn)介紹幾種不同類(lèi)型半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)、自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)的發(fā)光特性,最后簡(jiǎn)要介紹它們?cè)诠怆娖骷?如量子點(diǎn)激光器中的潛在應(yīng)用。2量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)的基本原理薄膜形成的理論研究指出,在固體表面上各類(lèi)薄膜材料的生長(zhǎng)大體可以分為三種模式,即逐層生長(zhǎng)模式、島狀生長(zhǎng)模式(S2K以及先層狀后島狀生長(zhǎng)模式。迄今各種半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)均遵從后一種模式。研

7、究指出,若實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng),其必要條件是所生長(zhǎng)的材料應(yīng)與襯底有較大的晶格失配度。這樣在薄膜形成時(shí)會(huì)首先以層狀方式進(jìn)行生長(zhǎng)。當(dāng)薄膜厚度超過(guò)某一臨界值,即完成一個(gè)所謂的浸潤(rùn)層后,其成膜過(guò)程便不再是二維的均勻生長(zhǎng),而是呈現(xiàn)非均勻的三維島狀生長(zhǎng),從而完成預(yù)期的量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)。由此看來(lái),在量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)中,浸潤(rùn)層的形成至關(guān)重要。因?yàn)橹挥性谕瓿山?rùn)層生長(zhǎng)之后才會(huì)出現(xiàn)三維島生長(zhǎng)。與二維生長(zhǎng)的平面相比,在三維生長(zhǎng)的島狀結(jié)構(gòu)中,由于距離襯底表面較遠(yuǎn)的生長(zhǎng)層受到襯底材料的束縛力較弱,因此在島狀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中,尤其是在島的表面附近,生長(zhǎng)薄膜的晶格常數(shù)與其固有的晶格常數(shù)值大體相當(dāng)。這樣就大大減小了應(yīng)變能量,從

8、而有利于三維島狀材料生長(zhǎng)。但從微觀角度來(lái)看,島的結(jié)構(gòu)仍是由一層層的平面形成的,而且在島的表面存有大量臺(tái)階。因此由于晶格常數(shù)的弛豫而使島狀結(jié)構(gòu)面積增加,同時(shí)也導(dǎo)致了表面自由能的增加。由此可以認(rèn)為,量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)表面應(yīng)變能和表面自由能相互制約的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。3不同類(lèi)型半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)3.12族半導(dǎo)體量子點(diǎn)在2族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)中,G aAs襯底表面上In G aAs和InAs量子點(diǎn)的研究點(diǎn)據(jù)著主要地位,這自然是由于InAs和In G aAs材料與G aAs有著較大的晶格失配度。R.Nolzel等人3在In G aAs量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)研究中,進(jìn)行了許多有益的嘗試

9、與探索,其中具有代表性的成果是,于1993年首先提出的In G aAs量子圓盤(pán)的自組織生長(zhǎng)。它的基本生長(zhǎng)步驟是,首先利用MOCVD在高指數(shù)面的G aAs(311B面上生長(zhǎng)Al G aAs緩沖層,然后在其上生長(zhǎng)厚310nm的In G aAs外延層。在停止In G aAs層生長(zhǎng)23分鐘后再一次生長(zhǎng)Al G aAs層,這樣由于反應(yīng)劑的橫向質(zhì)量輸運(yùn)原理,In G aAs便進(jìn)入Al G aAs納米尺寸島中,并圖1In G aAs 量子圓盤(pán)的AFM 像(a 和生長(zhǎng)模式(b 恰好被埋在Al G aAs 層之下,進(jìn)而形成In G aAs 量子圓盤(pán)結(jié)構(gòu),如圖1(a 和(b 所示。研究指出,這種量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)有良好的

10、光致發(fā)光特性。西研一等人4采用氣源分子束外延(GS 2MB E ,于540560的襯底溫度下在G aAs (311B 面上生長(zhǎng)了In G aAs 量子點(diǎn)。結(jié)果表明,由這種方法獲得的自然量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有良好的密度均勻性,其量子點(diǎn)的平均尺寸為120nm ,高度為12nm ,圖2(a 和(b 分別是由GS -MB E 在G aAs (311B 面上生長(zhǎng)的In 0125G a 0175As 量子點(diǎn)的SEM 像和AFM 像,其量子點(diǎn)尺寸與分布的均勻性清晰可見(jiàn)。除此之外,他們還對(duì)比研究了在G aAs (311B 面和G aAs (100面上,自組織生長(zhǎng)In G aAs 量子點(diǎn)的光致發(fā)光特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用同

11、樣工藝生長(zhǎng)條件在G aAs (311B 面上得到的In G aAs 量子點(diǎn)的峰值半寬為35meV ,而在G aAs (100面上生長(zhǎng)的In G aAs 量子點(diǎn),其峰值半寬為61meV ,顯然前者優(yōu)異后者,更詳細(xì)的研究正在進(jìn)行中 。圖2G aAs (311B 面上生長(zhǎng)的In 0125G a 0175As 量子點(diǎn)的SEM 像(a 和AFM 像(b 最近,赤羽浩一等人5采用原子狀H 輔助MB E 方法,在G aAs (311B 面上自組織生長(zhǎng)了In 013G a 017As 量子點(diǎn),圖3(a 和(b 是AFM 像。其中圖3(a 是由常規(guī)MB E 方法生長(zhǎng)的量子點(diǎn),其直徑為55nm ,高度變?yōu)?nm

12、,密度為315×1010/cm 2。圖3(b 是采用原子狀H 輔助MB E 生長(zhǎng)的量子點(diǎn)。其直徑為40nm ,高度為4nm ,密度為411×1010/cm 2。二者的生長(zhǎng)溫度均為500,生長(zhǎng)速率均為011m/h,共生長(zhǎng)了11ML。很顯然,采用原子狀H輔助MB E的量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng),在量子點(diǎn)的尺寸大小與密度分布方面均有明顯改善,這是由于后者可使量子點(diǎn)周期排列的有序性得以明顯提高的緣故。 圖3常規(guī)MBE生長(zhǎng)(a和原子狀H輔助生長(zhǎng)(b的In013G a017As量子點(diǎn)的AFM像3.22族半導(dǎo)體量子點(diǎn)在固體表面上2族量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng),一般來(lái)說(shuō)也遵從InAs/G aAs量子點(diǎn)的自組

13、織生長(zhǎng)模式。當(dāng)晶格失配變?yōu)?%時(shí),其浸潤(rùn)層厚度為3個(gè)原子層。對(duì)于在G aAs(110面上生長(zhǎng)的CdSe/ZnSe量子點(diǎn),其浸潤(rùn)層厚度為13個(gè)單原子層。而在ZnSe(100表面上生長(zhǎng)的CdSe量子點(diǎn),其浸潤(rùn)層厚度為117個(gè)原子層。新近,E.Kurte等人6在ZnSe(111A面上,采用AL E方法生長(zhǎng)了CdSe量子點(diǎn)。研究指出,ZnSe(111A面是具有最小表面自由能的穩(wěn)定表面,同時(shí)由于表面懸掛鍵密度顯著減少,因而生長(zhǎng)速率也相應(yīng)減小。這意味著與ZnSe(100面和ZnSe(110面相此,在ZnSe(111A面上可以獲得具有更均勻密度的CdSe量子點(diǎn)分布。圖4(a和(b分別是由AL E方法在ZnS

14、e(111A面生長(zhǎng)的CdSe量子點(diǎn)的AFM像和量子點(diǎn)底部的密度分布。由圖可見(jiàn),只要生長(zhǎng)條件相同,其量子點(diǎn)的密度分布則趨于均勻一致,量子點(diǎn)的底部直徑尺寸呈高斯分布,典型值為28±4nm。隨著AL E生長(zhǎng)周期性的增加,量子點(diǎn)的密度也顯著增加,即密度基本上與周期數(shù)呈正比例依賴關(guān)系。如周期數(shù)為1,2,3時(shí),其量子密度分布分別為4±2/m2,12±2/m2和19±2/m2。由此可見(jiàn),CdSe量子點(diǎn)的密度大小可由AL E生長(zhǎng)的周期數(shù)加以控制。3.32族半導(dǎo)體量子點(diǎn)除了2族和2族半導(dǎo)體量子點(diǎn)之外,隨著硅納米材料和硅基光電子學(xué)研究的興起,硅基量子點(diǎn),即2族量子點(diǎn)的自組織

15、生長(zhǎng)也引了人們的濃厚興趣。1996年,IBM公司的J.Tersoff等人7報(bào)道了利用自組織生長(zhǎng)機(jī)制在Si襯衣上生長(zhǎng)G eSi量子點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了解釋。他們把量子點(diǎn)比作一個(gè)各向同性的、具有彈性的和規(guī)則排列的球形雜質(zhì),量子點(diǎn)的尺寸比它們的橫向或縱向排列間距要小。例 圖4ZnSe (111A 面上自組織生長(zhǎng)的CdSe 量子點(diǎn)AFM 像(a 和量子點(diǎn)密度分布(b 圖5L PCVD 生長(zhǎng)的Si 量子點(diǎn)的密度分布如對(duì)Si 襯底上生長(zhǎng)G e 量子點(diǎn)的情況,薄膜生長(zhǎng)時(shí)G e 在Si 表面首先形成極細(xì)的應(yīng)變凝聚小球,而后再這些小球上面外延生長(zhǎng)一層具有一定厚度的Si 層。這一外加的Si 層晶格完

16、整,表面接近平整。但因?yàn)橛心鄣腉 e 球埋入,Si 層的相應(yīng)區(qū)域附近存在一個(gè)應(yīng)變力,在其表面處對(duì)應(yīng)有一個(gè)應(yīng)變最小點(diǎn)。當(dāng)在這一外加層的表面再生長(zhǎng)G e 或G eSi 時(shí),它們就在這一個(gè)應(yīng)變最小點(diǎn)處優(yōu)先成核并形成凝聚小球。這一過(guò)程可反復(fù)多次,直至生長(zhǎng)出非常均勻的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。最近,宮崎誠(chéng)一等人8采用L PCVD 技術(shù),在SiO 2/c 2Si (100襯底上自組織生長(zhǎng)了具有納米尺寸的Si 量子點(diǎn)。圖5是由AFM 測(cè)得的Si 量子點(diǎn)在高度方向的密度分布。圖5(a 示出了在經(jīng)稀HF 溶液處理的SiO 2/c 2Si襯底上,首先由L PCVD 自組織生長(zhǎng)Si 量子點(diǎn),然后在由N 2稀釋的2%的O 2氣氛

17、中,于1000溫度下熱氧化90秒而得到的鑲嵌在氧化層中的Si 量子點(diǎn)。由圖可知,含氧化層厚度的Si 量子點(diǎn)高度h 0=310nm ,Si 晶核的高度h c =12nm ,量子點(diǎn)密度約為5×1011/cm 2。圖5(b 和(c 是在SiO 2/c 2Si (100襯底上,于580溫度下分別生長(zhǎng)60秒和90秒所得到的Si量子點(diǎn)。可以看出,含氧化層厚度的Si量子點(diǎn)高度h0分別為610nm和910nm,Si晶核的高度分別為313nm和613nm。上述結(jié)果指出,SiO2/c2Si表面經(jīng)稀HF處理后,由于表面活性位置的增加,從而可以獲得具有更小尺寸和更高密度的Si量子點(diǎn)。3.4G aN系半導(dǎo)體量

18、子點(diǎn)G aN系半導(dǎo)體材料系指G aN、In G aN、InN和Al G aN等。由于這些材料自身之間的晶格失配度較小(<015%,所以難以采用S2K模式自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。為了克服這一不足,田中悟等人9進(jìn)行了一種新的嘗試。他們采用抗表面活化劑,對(duì)襯底表面進(jìn)行改性處理,并改變自組織生長(zhǎng)模式,制備了G aN以及In G aN量子點(diǎn)。圖6是采用模向低壓MOCVD(L PMOCVD在6H2SiC襯底上自組織生長(zhǎng)Al x G a1-x N 量子點(diǎn)的示意圖。第一步是在6H2SiC(0001襯底上生長(zhǎng)AlN和Al x G a1-x Al緩沖層(a,然后由氣相向襯底表面供給抗表面活化劑四乙化硅烷(TE

19、Si(b,其后向襯底表面供給TM G/N H3反應(yīng)氣體源(c,最后實(shí)現(xiàn)G aN量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)(d。 圖66H2SiC襯底上自組織生長(zhǎng)G aN量子點(diǎn)的示意圖 圖7TESi抗表面活化劑對(duì)G aN量子點(diǎn)生長(zhǎng)的影響作為抗表面活化劑,TESi對(duì)G aN量子點(diǎn)的生長(zhǎng)影響可由圖7加以說(shuō)明。圖7(a在G aN量子點(diǎn)生長(zhǎng)時(shí)不通入TESi的情形,此時(shí)在Al G aN緩沖層上生長(zhǎng)的G aN有清楚的臺(tái)階,顯示出G aN具有非常平坦的表面。由AFM像可知,臺(tái)階的高度為015017nm,此相當(dāng)于G aN的23個(gè)分子層厚。當(dāng)在G aN的量子點(diǎn)生長(zhǎng)時(shí),增加TESi的供給量,臺(tái)階的形狀則發(fā)生明顯變化,如圖7(b所示。對(duì)于這

20、一現(xiàn)象可作如下解釋。如果假定Al G aN(001生長(zhǎng)表面的極性是G a和Al,則在臺(tái)階上存在N的懸掛鍵。因此TESi中的Si就會(huì)優(yōu)先在臺(tái)階位置被吸附,并進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)以形成SiN鍵。產(chǎn)生吸附反應(yīng)的Si,會(huì)以某種形式使臺(tái)階的能量減少,同時(shí)會(huì)在G aN生長(zhǎng)時(shí)阻得TM G/N H3在臺(tái)階位置的吸附。而且隨著TESi供給量的進(jìn)一步增加,這種空間位阻現(xiàn)象會(huì)越加明顯,最終導(dǎo)致G aN量子點(diǎn)的形成。其量子點(diǎn)的尺寸與密度則隨生長(zhǎng)溫度、TESi供給量和生長(zhǎng)時(shí)間而變化。4量子點(diǎn)的發(fā)光特性半導(dǎo)體量子點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是能帶工程在半導(dǎo)體材料低維化方面的最成功應(yīng)用。它的顯著物理特征是,電子的有效狀態(tài)密度與能量的類(lèi)函數(shù)依賴關(guān)系,導(dǎo)

21、致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)其中的載流子(如電子、空穴和激子所產(chǎn)生的強(qiáng)三維量子限制效應(yīng),從而使其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了很大變化。研究指出,通過(guò)控制量子點(diǎn)的形狀、結(jié)構(gòu)與尺寸,就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍(lán)移等電子狀態(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小,量子點(diǎn)的光吸收譜出現(xiàn)譜峰藍(lán)移現(xiàn)象。尺寸越小,則譜峰籃移現(xiàn)象也越顯著,這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)10。人們采用自組織方法制備納米量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的主要目的,是依靠這種生長(zhǎng)方式在襯底表面上,直接形成尺寸大小均勻和密度分布適中的自然量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),以克服由選擇區(qū)域外延(SAE或強(qiáng)載能束輻照形成的量子點(diǎn)陣列,在發(fā)光特性方面的不足。因?yàn)檫@類(lèi)人工量子點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu),在工

22、藝加工過(guò)程中會(huì)造成大量晶格損傷,同時(shí)由于量子點(diǎn)密度較小,因此難以獲得預(yù)期的強(qiáng)光激射。而如果能夠生長(zhǎng)出具有尺寸大小均勻和密度分布適中的自然量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),就能夠克服上述人工量子點(diǎn)陣列在發(fā)光特性方面的弱點(diǎn),獲得預(yù)期的量子限制效應(yīng),使其光致發(fā)光特性得以明顯改善。但由于目前的自組織生長(zhǎng)工藝尚不夠完善,難以按照人為的意志嚴(yán)格控制量子點(diǎn)的尺寸大小與密度分布。同時(shí),就其發(fā)光特性而言,除了量子點(diǎn)的三維量子限制作用之外,還有其它諸多因素需要考慮。不過(guò),人們通過(guò)大膽嘗試與努力探索,已在量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究方面取得了一定進(jìn)展。現(xiàn)對(duì)其中的兩種由自組織生長(zhǎng)制備的量子點(diǎn)激光器簡(jiǎn)介如下:4.1In G aAs和InAs量子點(diǎn)R

23、.Leon等人11采用PL譜技術(shù)詳細(xì)研究了由S2K模式自組織生長(zhǎng)的埋層InAs島的光學(xué)特性,獲得了小于0115meV超窄線寬的光致發(fā)光,此起因于電子態(tài)密度與能量所具有的類(lèi)函數(shù)依賴性的InAs單量子點(diǎn)的光發(fā)射。R.Notzel等人12也采用PL譜和光致發(fā)光激發(fā)譜(PL E的測(cè)量,分別在10K和室溫條件下實(shí)驗(yàn)研究了應(yīng)變的In G aAs量子圓盤(pán)的光學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)在10K下量子圓盤(pán)的PL譜最窄線寬在68meV之間。隨著溫度增加,某些量子圓盤(pán)的PL線寬將有所增加,約在1013meV之間,如此高的發(fā)光效率源自于光生載流子的最佳俘獲與界面的平滑有序。呂振東等人13研究了InAs/G aAs自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)結(jié)

24、構(gòu)中浸潤(rùn)層的PL特性,證實(shí)了這種量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有非常高的發(fā)光效率。這一方面歸因于InAs激子的局域化效應(yīng),另一方面是由于這種鑲嵌式結(jié)構(gòu)大大減少了自由表面可能產(chǎn)生的多種非輻射復(fù)合中心,使它成為一種近乎無(wú)缺陷的材料體系。該小組還研究了自組織生長(zhǎng)多層垂直耦合InAs量子點(diǎn),發(fā)現(xiàn)該量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于單層量子點(diǎn)而言,發(fā)光峰出現(xiàn)紅移,而且譜線顯著變窄,這有可能成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的光電子發(fā)光材料。更有最近,赤羽浩一等人14研究了采用原子狀H 的MB E ,在G aAs (311B 面上自組織生長(zhǎng)In 014G a 016As 集層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的PL 特性。圖8是其在412K 溫度下的PL 譜,其中(a 和(

25、b 分別是不采用原子狀H 輻照和采用原子狀H 輻照的情形。由圖可見(jiàn),對(duì)于采用原子狀H 輻照的樣品,在能量為1137eV 處出現(xiàn)了強(qiáng)光發(fā)射,其峰值半寬22meV 。此與不采用原子狀H 輻照的樣品相比減少了一倍。研究證實(shí),采用原子狀H 輻照生長(zhǎng)的樣品,其發(fā)光強(qiáng)度為不采用原子狀H 照射樣品的12倍。作為峰值半寬減小的主要原因是由于G aAs 中間層比較薄(5nm 和量子點(diǎn)的縱向尺寸均勻。同時(shí)由于采用原子狀H 的輻照,能有效降低了雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)等非輻射復(fù)合中心。 圖8In 014G a 016As 集層量子點(diǎn)的PL 特性圖9在S iO 2/S i (100襯底上生長(zhǎng)的S i 量子點(diǎn)的P L 特性4

26、.2Si 、G e 和Si G e 量子點(diǎn)在G e 和G eSi 量子點(diǎn)方面,R.Apetz 等人15采用低壓化學(xué)氣相沉積(L PCVD 技術(shù),利用S 2K 模式自組織生長(zhǎng)了G eSi 量子點(diǎn),認(rèn)為其光致發(fā)光和電致發(fā)光來(lái)自于局域在該量子點(diǎn)中電子2空穴對(duì)的復(fù)合。在低激發(fā)功率和較高溫度(80K 下,電子2空穴的局域化增強(qiáng)了發(fā)光效率。而在較高功率下,由于量子點(diǎn)中的非輻射俄歇復(fù)合,使得發(fā)光效率有所減弱。如果進(jìn)一步增加量子點(diǎn)密度和減少生長(zhǎng)缺陷,可使發(fā)光效率進(jìn)一步提高。朱海軍等人16利用自組織生長(zhǎng)方法,在Si (100襯底上制備了底面直徑為100nm ,大小非常均勻的G e 島,在0176eV 處觀測(cè)到了

27、G e 島量子點(diǎn)中的有聲子參與和無(wú)聲子參與的激子發(fā)光峰,峰的半寬僅為115meV ,表明量子點(diǎn)尺寸的均勻性較好。由于量子限制效應(yīng)和原子互擴(kuò)散的影響,其發(fā)光峰的能量比G e 體材料相應(yīng)的能量可能要高。最近,日本廣島大學(xué)的K.Y oshiba 等人17也采用L PCVD 方法,在SiO 2/Si (100襯底上自組織生長(zhǎng)了高質(zhì)量的Si 量子點(diǎn),并觀測(cè)了其PL 特性。實(shí)驗(yàn)研究指出,當(dāng)對(duì)已生長(zhǎng)的Si 量子點(diǎn)在1000下和由N 2稀釋的2%O 2氣氛中熱氧化90秒,即在其表面形成一薄氧化層后,其發(fā)光特性明顯得待以改善。這是由于量子點(diǎn)表面氧化層的存在,有效地降低了表面非輻射復(fù)合中心的緣故。圖9是某一樣品的

28、PL 特性,可以看出在111eV 能量附近出現(xiàn)了強(qiáng)光發(fā)射,而且具有較窄的譜峰半寬。4.3G aN 量子點(diǎn)近年,隨著“G aN 熱”的急速升溫,關(guān)于G aN 的自組織生長(zhǎng)及其藍(lán)光發(fā)射研究迅速興起。雖然如此,但其量子點(diǎn)的PL 特性報(bào)道目前還相對(duì)較少,下面僅舉一例。圖10是在Al G aN襯底表面上自組織生長(zhǎng)的G aN量子點(diǎn)在80K下的PL特性18。圖中的實(shí)踐、點(diǎn)線和點(diǎn)劃線分別是量子點(diǎn)高度/直徑為40/120nm,7/21nm和315/10nm的三個(gè)不同樣品的PL譜。由圖可見(jiàn),量子點(diǎn)高度為315nm的樣品與高度為40nm的樣品相比,其發(fā)光強(qiáng)度減弱,譜峰半寬增加,而且發(fā)生了10914meV的藍(lán)移,即隨

29、著量子點(diǎn)尺寸的減小,出現(xiàn)了譜峰藍(lán)移現(xiàn)象。這種藍(lán)移行為起因于載流子的量子限制效應(yīng)(即量子尺寸效應(yīng)和電子2庫(kù)侖相互作用(即激子結(jié)合能的增加,預(yù)計(jì)這種效應(yīng)在未來(lái)的量子效應(yīng)器件,如短波長(zhǎng)激光器中具有潛在應(yīng)用。 圖11由自組織生長(zhǎng)形成的垂直腔面發(fā)射激光器圖10Al G aN襯底上生長(zhǎng)的G aN量子點(diǎn)的PL特性5量子點(diǎn)的器件應(yīng)用人們采用自組織方法生長(zhǎng)納米量子點(diǎn)的初衷之一,則是設(shè)制并制作量子點(diǎn)激發(fā)器。因此,材料物理學(xué)家們?cè)诓捎眠@種方法,生長(zhǎng)各類(lèi)高質(zhì)量量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的同時(shí),便開(kāi)始進(jìn)行了這方面的研究探索,并獲得了初步進(jìn)展。現(xiàn)就其中的兩種加以簡(jiǎn)單介紹。5.1垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL圖11是由H.Saito等人1

30、9采用自組織生長(zhǎng)制作的量子點(diǎn)垂直腔面發(fā)射激光器(QD VCSEL。其襯底是G aAs(100基片,襯底上的分布型布喇格反射鏡(DBR多層膜,在襯底側(cè)是18周期,在表面?zhèn)仁?4周期,中間是10個(gè)周期的In015G a015As量子點(diǎn)有源區(qū)。采用這種結(jié)構(gòu)和利用蝕刻技術(shù)制備了25m2的面發(fā)射激光器。圖12示出了室溫條件下的電流2光輸出特性和振蕩光譜。在連續(xù)狀態(tài)其閾值電流為32mA,振蕩波長(zhǎng)為962nm。由于采用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了室溫下的連續(xù)振蕩,因而表明采用S2K模式自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)是可以應(yīng)用于激光器制作的。對(duì)于垂直共振腔面發(fā)射激光器而言,激光振蕩波長(zhǎng)由共振器的共振波長(zhǎng)所決定。因此,可以利用電流注

31、入來(lái)評(píng)價(jià)從端面的發(fā)光特性,并揭示其振蕩機(jī)理。圖13示出了集層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的EL譜,圖中的垂直點(diǎn)線是垂直共振器的共振峰。由圖可以清楚看出,隨著注入電流的增加,其發(fā)光強(qiáng)度亦明顯增加,并出現(xiàn)譜峰藍(lán)移現(xiàn)象。這種譜峰藍(lán)移行為起因于,由于注入電流的增加,引起了電子在高能級(jí)間的躍遷所導(dǎo)致。5.2InAs/G aAs量子點(diǎn)激光器Y.Sugiyama等人20采用MB E以自組織方式在G aAs(100襯底上制備了InAs量子點(diǎn),其高度為5nm,直徑為20nm。為了提高光增益,共制作了三層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。300K下的 圖YCSEL在室溫條件下的光輸出特性圖13集層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的E L 特性圖14單層量子點(diǎn)激光器的EL 譜

32、圖15具有不同量子點(diǎn)數(shù)和共振器長(zhǎng)度激光器的EL 譜PL 譜證實(shí),在1113m 附近觀測(cè)到了來(lái)自于基態(tài)能級(jí)的發(fā)光,其峰值半寬為80meV 。這個(gè)較寬的發(fā)光峰起因于量子點(diǎn)的尺寸與組分的不均勻性。圖14是量子點(diǎn)層數(shù)N =1和共振器長(zhǎng)度為L(zhǎng) =300m 的激光器的EL 譜。很顯然,由于量子點(diǎn)的離散能級(jí),在EL 譜中出現(xiàn)了明顯離散的譜峰。其中長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的譜峰與基態(tài)能級(jí)相對(duì)應(yīng),一直觀測(cè)到第三個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí),最短波長(zhǎng)的譜峰是來(lái)自于InAs 浸潤(rùn)層。由圖還可以看出,由于高激發(fā)態(tài)能級(jí)的簡(jiǎn)并度比低激發(fā)態(tài)能級(jí)的大,所以隨著注入電流的增加,高激發(fā)態(tài)能級(jí)將具有更強(qiáng)的發(fā)光效率。圖15示出了具有不同量子點(diǎn)層數(shù)(N 和共振器長(zhǎng)度

33、(L 激光器的EL 譜。由圖可第 24 卷 3 期 半 導(dǎo) 體 雜 志 1999 年 7 月 見(jiàn) ,當(dāng)量子點(diǎn)層數(shù) N = 1 ,共振器長(zhǎng)度 L 從 300 m 變化到 900 m 時(shí) ,激光振蕩的能級(jí)從浸 潤(rùn)層移到第三激發(fā)態(tài)能級(jí) 。對(duì)于共振器長(zhǎng)度 L = 900 m 的激光器 ,當(dāng)量子點(diǎn)層數(shù)由 N = 1 增加到 N = 3 時(shí) , 其光增益明顯增大 , 其激光振蕩從第三激發(fā)態(tài)移向了第二激發(fā)態(tài)能級(jí) 。 對(duì)于量子點(diǎn)層數(shù) N = 3 和共振器長(zhǎng)度 L = 900 m 的激光器 ,可實(shí)現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩 。 6 結(jié) 語(yǔ) 以上簡(jiǎn)要介紹了量子點(diǎn)的發(fā)光特性及其在激發(fā)器中的應(yīng)用 。事實(shí)上 ,真正制備出具有 實(shí)用化的量子點(diǎn)激光器 ,還有很長(zhǎng)的路要走 。這就要求能夠采用自組織生長(zhǎng)制備出量子點(diǎn) 尺寸均勻 ,組分均勻和密度適中的納米量子點(diǎn)結(jié)構(gòu) 。而目前要實(shí)現(xiàn)這種高質(zhì)量的量子點(diǎn)結(jié) 構(gòu) ,工藝上還要進(jìn)行更多的探索 。理論估計(jì)指出 ,要實(shí)現(xiàn) 10meV 以下的 PL 峰值半寬 ,需要 量子點(diǎn)的尺寸應(yīng)進(jìn)一步減小 ,以使其中的離散能級(jí)間隔大于 100meV ,這樣才能有效地抑制 載流子的熱激發(fā) 。除此之外 ,還要進(jìn)行量子點(diǎn)密度的最佳化研究 ,只有這樣才能在降低閾值 電流密度和提高發(fā)光效率方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展 。作為改善其