用空間電荷譜研究GeSi半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性

1、用空間電荷譜研究GeSi半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性張勝坤，男，1972年02月生，1996年09月師從復(fù)旦大學(xué)王迅教授，于1999年07月獲得博士學(xué)位。摘 要在半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物性和實(shí)際應(yīng)用的研究中，電學(xué)特性的研究在其質(zhì)量表征、能級(jí)結(jié)構(gòu)和量子限制效應(yīng)的驗(yàn)證以及新型器件的設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著十分重要的作用?？臻g電荷譜正是研究半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)的縱向電學(xué)特性的有效手段，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文應(yīng)用空間電荷譜研究了GeSi半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性。從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)Si基Ge量子點(diǎn)的導(dǎo)納譜進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。運(yùn)用深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)研究了Si基Ge量子點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)的空穴俘獲過(guò)程。較深入地

2、研究了GeSi/Si量子阱結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)電壓特性。1. 用導(dǎo)納譜研究Si基Ge量子點(diǎn)的庫(kù)侖荷電效應(yīng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)已成為當(dāng)今物理學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。量子點(diǎn)又稱為人工原子。是用現(xiàn)代生長(zhǎng)工藝制造出來(lái)的尺寸在納米量級(jí)的半導(dǎo)體晶粒。電子（或空穴）在其中的能量狀態(tài)是類原子的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)。而且，由于電子(或空穴)被束縛在一個(gè)相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)，電子（或空穴）在其中表現(xiàn)出顯著的庫(kù)侖荷電效應(yīng)，載流子之間強(qiáng)烈的庫(kù)侖相互作用會(huì)引起能級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。研究量子點(diǎn)中的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)和庫(kù)侖荷電效應(yīng)，無(wú)論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中都具有重要意義。由于受量子點(diǎn)尺寸大小和實(shí)驗(yàn)方法的限制，現(xiàn)有的有效的測(cè)試技術(shù)都要求依賴于光刻技術(shù)的特殊設(shè)計(jì)的樣品，并

3、需要極低的測(cè)量溫度。在本論文中，我們首次提出導(dǎo)納譜研究半導(dǎo)體量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和庫(kù)侖荷電效應(yīng)。發(fā)展了量子點(diǎn)的導(dǎo)納譜原理，并詳細(xì)推導(dǎo)出了量子點(diǎn)中載流子發(fā)射率和量子點(diǎn)電導(dǎo)的表達(dá)式。運(yùn)用變偏壓的導(dǎo)納譜測(cè)量了掩埋于Si中的自組織生長(zhǎng)的Ge量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和庫(kù)侖荷電效應(yīng)，確定了空穴基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能量位置以及庫(kù)侖荷電能的大小。這一方法的測(cè)量溫度區(qū)間在液氮溫度（77K）以上，計(jì)算載流子能量的方法直觀簡(jiǎn)便、精度高，允許量子點(diǎn)的尺寸存在較大的非均勻性分布，而且在計(jì)算能級(jí)的同時(shí)還可獲得俘獲截面的有關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)樣品是在電阻率為0.01W·cm的P型Si（100）單晶襯底片上用分子束外延的方法生長(zhǎng)的。首先

4、在襯底溫度為600時(shí)生長(zhǎng)一層厚度為100nm的Si緩沖層，然后在襯底溫度為500時(shí)交替生長(zhǎng)三個(gè)周期的Ge量子點(diǎn)層和50nm厚的Si間隔層，Ge層的淀積量為1.3nm。最后覆蓋一層約400nm Si。當(dāng)Ge的淀積量超過(guò)1nm時(shí)，反射式高能電子衍射(RHEED)圖樣中出現(xiàn)箭頭，表明Ge已自組織凝聚成島。樣品橫截面的透射電子顯微鏡的觀察結(jié)果證實(shí)了Ge島的形成，浸潤(rùn)層的厚度約為0.8nm，Ge島的典型直徑約為13nm，典型高度約為3nm。對(duì)在同樣生長(zhǎng)條件下制備的無(wú)覆蓋層的Ge量子點(diǎn)層的原子力顯微鏡的觀測(cè)顯示，Ge島的面密度約為2×108cm-2，尺寸的非均勻性小于10%。樣品的正面蒸鋁形成肖

5、特基接觸，背面蒸鋁形成歐姆接觸。導(dǎo)納譜測(cè)試是在一臺(tái)HP4275A型的LCR儀上進(jìn)行的。測(cè)試時(shí)分別取五個(gè)不同的頻率1MHz、500KHz、300KHz、100KHz和50KHz。溫度掃描的區(qū)間為100-250K。在0.2V-1.4V的電壓范圍內(nèi)，每間隔0.1V作了導(dǎo)納譜測(cè)量。通過(guò)計(jì)算可得到不同偏壓下空穴的激活能。不難發(fā)現(xiàn)，激活能隨偏壓變化呈現(xiàn)幾個(gè)分立值，分別為417（Ea1），388（Ea2），263（Ea3）,233（Ea4），202（Ea5）meV。這五個(gè)分立的能量值反映了Ge量子點(diǎn)的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)和庫(kù)侖荷電效應(yīng)。當(dāng)外加偏壓從-1.4V增至0.2V的過(guò)程中，空穴從基態(tài)至激發(fā)態(tài)逐個(gè)填充量子點(diǎn)中的

6、束縛能級(jí)。由于空穴間強(qiáng)的庫(kù)侖相互作用，即使同一能態(tài)上的空穴在向Si價(jià)帶發(fā)射時(shí)也會(huì)因先后次序的不同而在能量上存在差別，這一差別約為30meV，因此可以判定這一能量差別來(lái)源于庫(kù)侖荷電效應(yīng)。而Ea1、Ea2分別代表了量子點(diǎn)的基態(tài)能級(jí)上兩個(gè)空穴先后發(fā)射的能量，Ea3、Ea4、Ea5分別代表了第一激發(fā)態(tài)能級(jí)上三個(gè)空穴先后發(fā)射的能量。通過(guò)計(jì)算可得到不同激活能的空穴的俘獲截面，發(fā)現(xiàn)俘獲截面與激活能是指數(shù)相關(guān)的。其數(shù)值在10-810-11cm2之間，比一般半導(dǎo)體中的缺陷的俘獲截面要高數(shù)個(gè)量級(jí)。這表明量子點(diǎn)具有極強(qiáng)的俘獲載流子的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一方法具有測(cè)量溫區(qū)高、信號(hào)強(qiáng)、簡(jiǎn)便、直觀等優(yōu)點(diǎn)。2. 用深能級(jí)

7、瞬態(tài)譜研究Si基Ge量子點(diǎn)的空穴俘獲過(guò)程本論文還運(yùn)用深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)研究了Si基Ge量子點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)的空穴俘獲過(guò)程，并用深能級(jí)瞬態(tài)譜觀察到了Si基Ge量子點(diǎn)中的輕重空穴的發(fā)射，確定了其能量位置。通過(guò)改變脈沖寬度的DLTS測(cè)量，觀察到了Ge量子點(diǎn)逐個(gè)俘獲空穴的過(guò)程。由于庫(kù)侖荷電效應(yīng)，從Ge量子點(diǎn)中空穴發(fā)射引起的DLTS峰的峰位，將隨著量子點(diǎn)中空穴數(shù)目的增多而向低溫方向移動(dòng)。在用DLTS實(shí)際測(cè)量樣品時(shí)，正面施加一個(gè)脈沖寬度為tp的電壓脈沖，脈沖前后偏壓的變化需使得費(fèi)米能級(jí)掃過(guò)量子點(diǎn)中所有或某一空穴束縛能級(jí)，以使空穴注入Ge量子點(diǎn)。從零到tp的脈沖期間，量子點(diǎn)中開(kāi)始填入空穴，隨著脈沖時(shí)間的延

8、長(zhǎng)，更多的空穴逐個(gè)填充各個(gè)能態(tài)，直至飽和于N0為止。若在量子點(diǎn)達(dá)到飽和填充之前就結(jié)束脈沖，就可以達(dá)到通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)控制填充空穴的數(shù)目的目的。脈沖過(guò)后，在反向偏壓下空穴將從量子點(diǎn)中某能級(jí)發(fā)射至Si價(jià)帶頂，在DLTS曲線中將形成DLTS峰。由于庫(kù)侖荷電效應(yīng)，同一能態(tài)上的空穴的激活能會(huì)隨著填充空穴的數(shù)目的增多而降低，從而引起DLTS峰向低溫方向移動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)納譜相似，只是量子點(diǎn)的尺寸有所不同，通過(guò)DLTS測(cè)量，可以觀察到空穴從量子點(diǎn)中三個(gè)不同能級(jí)上發(fā)射所對(duì)應(yīng)的DLTS信號(hào)峰，其激活能分別為b1: 470±10meV，b2: 420±10meV，b3: 295

9、77;5meV，這對(duì)應(yīng)于輕、重空穴能級(jí)LH0、HH0及第一激發(fā)態(tài)能級(jí)HH1。通過(guò)變脈沖寬度的DLTS測(cè)量，對(duì)量子點(diǎn)中在第一激發(fā)態(tài)能級(jí)上逐個(gè)俘獲空穴的過(guò)程進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)表明，該能級(jí)俘獲空穴所需的時(shí)間比量子阱和缺陷要短得多，僅在315ms的范圍。隨著脈沖時(shí)間的縮短，DLTS峰位向高溫方向移動(dòng)，這是由于縮短了的俘獲時(shí)間使得在量子點(diǎn)中俘獲空穴的數(shù)目減少而引起庫(kù)侖能的變化造成的。在不同脈沖寬度下測(cè)得的DLTS峰的激活能出現(xiàn)了臺(tái)階式的跳變，這一臺(tái)階的能量大小反映了量子點(diǎn)平均每俘獲一個(gè)空穴要克服的庫(kù)侖能的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在HH1能級(jí)上最多可容納4個(gè)空穴。 為了進(jìn)一步證實(shí)量子點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)的俘獲過(guò)程，設(shè)Ge量

10、子點(diǎn)在不同脈沖時(shí)間內(nèi)俘獲不同數(shù)目的空穴，取空穴激活能為實(shí)驗(yàn)值，可模擬計(jì)算了不同脈沖寬度時(shí)的DLTS譜，它們與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好。它們揭示了HH1能級(jí)從1到4逐個(gè)俘獲空穴的過(guò)程。3. GeSi量子阱結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)-電壓特性從理論和實(shí)驗(yàn)上較詳細(xì)地研究了GeSi半導(dǎo)體量子阱的G-V特性，提出電導(dǎo)法可以成為一種確定量子阱能帶偏移的簡(jiǎn)便有效的方法，根據(jù)等效電路模型，合理地解釋了量子阱G-V曲線中出現(xiàn)電導(dǎo)峰等現(xiàn)象，并分析了測(cè)試頻率和測(cè)試溫度對(duì)量子阱G-V特性的影響，導(dǎo)出了從G-V關(guān)系計(jì)算量子阱能帶偏移的方法。對(duì)多個(gè)SixGe1-x/Si單量子階和多量子阱樣品的G-V特性進(jìn)行了測(cè)量，并由此計(jì)算了各樣品中在量子阱

11、附近費(fèi)米能級(jí)隨偏壓的變化關(guān)系（EFV），隨溫度的變化關(guān)系（EFT）以及確定了各量子阱的能帶偏移。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期符合得很好。在G-V特性的測(cè)量中，隨著加在樣品兩端偏壓的變化，費(fèi)米能級(jí)的位置發(fā)生移動(dòng)，使得量子阱電導(dǎo)GW發(fā)生顯著變化，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)阱都會(huì)在特定的電壓處出現(xiàn)一個(gè)電導(dǎo)峰，同時(shí)在C-V曲線中出現(xiàn)一個(gè)電容平臺(tái)。通過(guò)這一方法，可以測(cè)量量子阱附近的費(fèi)米能級(jí)隨外加偏壓的變化關(guān)系，進(jìn)而可確定能帶偏移值。還能測(cè)定不同溫度時(shí)費(fèi)米能級(jí)的位置。對(duì)不同頻率和不同溫度下測(cè)量的多個(gè)GeSi/Si單量子阱和多量子阱樣品的電導(dǎo)-電壓特性曲線的分析表明，電導(dǎo)法是測(cè)量量子阱的能帶偏移的簡(jiǎn)單有效的方法。其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是

12、能夠測(cè)量多量子阱結(jié)構(gòu)中各個(gè)阱的阱深的變化。與空間電荷譜的其它測(cè)試方法相比，以量子阱的G-V特性為依據(jù)的電導(dǎo)法具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在導(dǎo)納譜和深能級(jí)瞬態(tài)譜的測(cè)量過(guò)程中，溫度和外加偏壓的變化都會(huì)影響樣品的能帶變化，這些變化很難在能帶偏移的計(jì)算中考慮進(jìn)去。而在電導(dǎo)法測(cè)量過(guò)程中，溫度保持不變，還可以得到完整的EFV關(guān)系。在不同溫度下使用電導(dǎo)法還可揭示量子阱的EFT關(guān)系。電導(dǎo)法的獨(dú)特之處還在于它可以通過(guò)一次測(cè)量來(lái)分別確定多量子阱結(jié)構(gòu)中各個(gè)阱的能帶偏移值，這是其它方法所不能替代的。與C-V法相比，電導(dǎo)法不需要調(diào)節(jié)多個(gè)參量通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)獲得能帶偏移。ELECTIC PROPERTIES OF SEMICONDU

13、CTOR LOW DIMENSIONAL QUANTUMSTRUCTURES STUDIED BY SPACE-CHARGE SPECTROSCOPYAbstractIn this work, the electrical characteristics of GeSi low dimensional quantum structures have been investigated using space charge spectroscopy. A systematic analysis is performed on the admittance spectrum of Ge quant

14、um dots embedded in Si barriers. Deep level transientspectroscopy (DLTS) technique is applied to study time-dependent hole capturing processes in Ge dots. The conductance-voltage (G-V) characteristics of GeSi/Si quantum well structures are analyzed.1. The theory on the admittance spectroscopy of sem

15、iconductor quantum dots is proposed. Measurements of the discrete quantum energy levels and Coulomb charging of self-assembled Ge quantum dots imbedded in Si barriers have been performed by using the admittance spectroscopy technique. By varying the bias voltage, the population of carriers in the do

16、t changes and the Coulomb charging effect could be clearly seen from the step-like change of the activation energy for hole emission in the admittance spectra. The energy level structure in the Ge dots with a typical lateral dimension of 13nm is determined. Under zero bias, two holes occupy the grou

17、nd state and three holes occupy the first excited state in a Ge dot. The Coulomb charging energy per added hole is determined to be about 30meV. It is found that hole caturing cross sections of quantum dots are very large (in the range of 10-1110-7cm2) and vary exponentially with the activation ener

18、gy. The advantages of this method are the relatively high measuring temperature, large signal to noise ratio, and its simple and straightforward use and interpretation. The requirement on the uniformity of the dot size distribution of the sample is quite tolerant.2. It is proposed that carrier captu

19、ring processes are time-dependent and DLTS technique with various pulse widths can be used to study these processes. Capturing and emission processes of light and heavy holes in Ge quantum dots have been studied by deep level transient spectroscopy (DLTS). The ground and first excited states are ide

20、ntified. After annealing at 700, the dots become small and a variation of energy level structure occurs. Hole capturing processes and Coulomb charging effect have also been observed by the DLTS measurements with various pulse widths. At last it is found that the capturing time of holes in Ge dots is in the range of 315 m s, which is much shorter than that in quantum wells and defects.3. A conductance method is proposed to study the interfacial band offset of semiconductor quantum-well structures. Based on an equivalent circuit model, the frequency-depen