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、能級結(jié)構(gòu)和量子限制效應(yīng)的驗證以及新型器件的設(shè)計等方面發(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。從理論和實驗上對Si基Ge量子點的導(dǎo)納譜進行了系統(tǒng)的分析。運用深能級瞬態(tài)譜(DLTS)研究了Si基Ge量子點的時間相關(guān)的空穴俘獲過程。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量子點的庫侖荷電效應(yīng)半導(dǎo)體量子點已成為當(dāng)今物理學(xué)研究的熱點之一。量子點又稱為人工原子。是用現(xiàn)代生長工藝制造出來的尺寸在納米量級的半導(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結(jié)構(gòu)。而且，由于電子(或空穴)被束縛在一個相對小的區(qū)域內(nèi)，電子（或空穴）在其中表現(xiàn)出顯著的庫侖荷電效應(yīng)，載流子之間強烈的庫侖相互作用會引起能級結(jié)構(gòu)的變化。研究量子點中的分立能級結(jié)構(gòu)和庫侖荷電效應(yīng)，無論在理論上還是在實際應(yīng)用中都具有重要意義。由于受量子點尺寸大小和實驗方法的限制，現(xiàn)有的有效的測試技術(shù)都要求依賴于光刻技術(shù)的特殊設(shè)計的樣品，并

3、需要極低的測量溫度。在本論文中，我們首次提出導(dǎo)納譜研究半導(dǎo)體量子點的能級結(jié)構(gòu)和庫侖荷電效應(yīng)。發(fā)展了量子點的導(dǎo)納譜原理，并詳細推導(dǎo)出了量子點中載流子發(fā)射率和量子點電導(dǎo)的表達式。運用變偏壓的導(dǎo)納譜測量了掩埋于Si中的自組織生長的Ge量子點的能級結(jié)構(gòu)和庫侖荷電效應(yīng)，確定了空穴基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能量位置以及庫侖荷電能的大小。這一方法的測量溫度區(qū)間在液氮溫度（77K）以上，計算載流子能量的方法直觀簡便、精度高，允許量子點的尺寸存在較大的非均勻性分布，而且在計算能級的同時還可獲得俘獲截面的有關(guān)信息。實驗樣品是在電阻率為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的。首先

4、在襯底溫度為600時生長一層厚度為100nm的Si緩沖層，然后在襯底溫度為500時交替生長三個周期的Ge量子點層和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1nm時，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)果證實了Ge島的形成，浸潤層的厚度約為0.8nm，Ge島的典型直徑約為13nm，典型高度約為3nm。對在同樣生長條件下制備的無覆蓋層的Ge量子點層的原子力顯微鏡的觀測顯示，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)納譜測試是在一臺HP4275A型的LCR儀上進行的。測試時分別取五個不同的頻率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)納譜測量。通過計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)幾個分立值，分別為417（Ea1），388（Ea2），263（Ea3）,233（Ea4），202（Ea5）meV。這五個分立的能量值反映了Ge量子點的分立能級結(jié)構(gòu)和庫侖荷電效應(yīng)。當(dāng)外加偏壓從-1.4V增至0.2V的過程中，空穴從基態(tài)至激發(fā)態(tài)逐個填充量子點中的

6、束縛能級。由于空穴間強的庫侖相互作用，即使同一能態(tài)上的空穴在向Si價帶發(fā)射時也會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源于庫侖荷電效應(yīng)。而Ea1、Ea2分別代表了量子點的基態(tài)能級上兩個空穴先后發(fā)射的能量，Ea3、Ea4、Ea5分別代表了第一激發(fā)態(tài)能級上三個空穴先后發(fā)射的能量。通過計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)個量級。這表明量子點具有極強的俘獲載流子的能力。實驗結(jié)果表明，這一方法具有測量溫區(qū)高、信號強、簡便、直觀等優(yōu)點。2. 用深能級

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

8、長，更多的空穴逐個填充各個能態(tài)，直至飽和于N0為止。若在量子點達到飽和填充之前就結(jié)束脈沖，就可以達到通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制填充空穴的數(shù)目的目的。脈沖過后，在反向偏壓下空穴將從量子點中某能級發(fā)射至Si價帶頂，在DLTS曲線中將形成DLTS峰。由于庫侖荷電效應(yīng)，同一能態(tài)上的空穴的激活能會隨著填充空穴的數(shù)目的增多而降低，從而引起DLTS峰向低溫方向移動。 實驗樣品的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)納譜相似，只是量子點的尺寸有所不同，通過DLTS測量，可以觀察到空穴從量子點中三個不同能級上發(fā)射所對應(yīng)的DLTS信號峰，其激活能分別為b1: 470±10meV，b2: 420±10meV，b3: 295

9、77;5meV，這對應(yīng)于輕、重空穴能級LH0、HH0及第一激發(fā)態(tài)能級HH1。通過變脈沖寬度的DLTS測量，對量子點中在第一激發(fā)態(tài)能級上逐個俘獲空穴的過程進行觀察。實驗表明，該能級俘獲空穴所需的時間比量子阱和缺陷要短得多，僅在315ms的范圍。隨著脈沖時間的縮短，DLTS峰位向高溫方向移動，這是由于縮短了的俘獲時間使得在量子點中俘獲空穴的數(shù)目減少而引起庫侖能的變化造成的。在不同脈沖寬度下測得的DLTS峰的激活能出現(xiàn)了臺階式的跳變，這一臺階的能量大小反映了量子點平均每俘獲一個空穴要克服的庫侖能的大小。實驗結(jié)果表明在HH1能級上最多可容納4個空穴。 為了進一步證實量子點的時間相關(guān)的俘獲過程，設(shè)Ge量

10、子點在不同脈沖時間內(nèi)俘獲不同數(shù)目的空穴，取空穴激活能為實驗值，可模擬計算了不同脈沖寬度時的DLTS譜，它們與實驗曲線符合得很好。它們揭示了HH1能級從1到4逐個俘獲空穴的過程。3. GeSi量子阱結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)-電壓特性從理論和實驗上較詳細地研究了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，并分析了測試頻率和測試溫度對量子阱G-V特性的影響，導(dǎo)出了從G-V關(guān)系計算量子阱能帶偏移的方法。對多個SixGe1-x/Si單量子階和多量子阱樣品的G-V特性進行了測量，并由此計算了各樣品中在量子阱

11、附近費米能級隨偏壓的變化關(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。所有實驗結(jié)果與理論預(yù)期符合得很好。在G-V特性的測量中，隨著加在樣品兩端偏壓的變化，費米能級的位置發(fā)生移動，使得量子阱電導(dǎo)GW發(fā)生顯著變化，對應(yīng)于每一個阱都會在特定的電壓處出現(xiàn)一個電導(dǎo)峰，同時在C-V曲線中出現(xiàn)一個電容平臺。通過這一方法，可以測量量子阱附近的費米能級隨外加偏壓的變化關(guān)系，進而可確定能帶偏移值。還能測定不同溫度時費米能級的位置。對不同頻率和不同溫度下測量的多個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)法是測量量子阱的能帶偏移的簡單有效的方法。其獨特的優(yōu)點是

12、能夠測量多量子阱結(jié)構(gòu)中各個阱的阱深的變化。與空間電荷譜的其它測試方法相比，以量子阱的G-V特性為依據(jù)的電導(dǎo)法具有其獨特的優(yōu)點。在導(dǎo)納譜和深能級瞬態(tài)譜的測量過程中，溫度和外加偏壓的變化都會影響樣品的能帶變化，這些變化很難在能帶偏移的計算中考慮進去。而在電導(dǎo)法測量過程中，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)法的獨特之處還在于它可以通過一次測量來分別確定多量子阱結(jié)構(gòu)中各個阱的能帶偏移值，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)多個參量通過數(shù)值模擬來獲得能帶偏移。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