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液滴分子束外延生长技术,是近年来出现的一种新的材料生长技术。这种方法不仅适用于晶格失配的材料体系,也适用于晶格匹配的材料体系。此外,采用液滴外延方法还易于制备出一些新奇的半导体低维结构,如低密度的量子环、量子点、量子点对(量子点分子)等,这些结构的制备为其在以后的单光子光源等新型量子器件中的应用打下了基础。本论文工作系统研究了液滴外延方法生长InAs、GaAs量子结构的生长机理以及InAs纳米结构的形貌和光学性质,制备出了低密度的砷化铟纳米环,并对这种结构的形貌和浸润层的特性进行了深入讨论,取得了一些有意义的结果,主要包括:
1.首先研究了In的沉积量对液滴外延方法生长的InAs纳米结构表面形貌的影响。通过沉积In时衬底停转,可以在GaAs表面形成不均匀的In分布,使得在其它条件相同的情况下研究不同In沉积量对InAs纳米结构的影响成为可能。研究发现,即使In的沉积量不足以形成液滴,但是当In的沉积量超过一定临界值后,InGa二维层与As反应会自发形成InAs量子点,与S-K生长模式类似;当沉积量增大到足以形成液滴后,液滴会作为成核中心来形成InAs量子环;而环的形成是液滴中心和边缘区域晶化速度不一致所导致的。当铟的沉积量进一步增加时,砷化铟量子环的密度会饱和,并出现耦合的纳米环结构。
2.用反射差分谱和变温光致发光谱研究了液滴外延方法生长的InAs量子环的浸润层的性质。发现浸润层在量子环的周围是耗尽的,与S-K模式下生长的量子点完全不同。这是由于作为成核中心的In液滴不仅俘获提供的As原子,还会俘获周围已存在的In原子。此外,由于这种生长方法中浸润层还受到液滴的影响,因此浸润层随沉积量的演化过程也更为复杂。
3.为了提高液滴外延方法生长的InAs纳米结构的质量,我们还进行了高温退火实验以及高温生长实验,有效提高了InAs纳米结构的光学质量。此外在高温生长实验中还制备出了低密度的InAs量子点,约为1×106/cm2。
4.研究了GaAs衬底上采用液滴外延方法生长的GaAs纳米结构的形貌和光学性质;还在GaAs、Si、蓝宝石等衬底上探索了自催化生长等其它形式的液滴外延。