用空间电荷谱研究GeSi半导体低维量子结构的电学特性

1、用空间电荷谱研究GeSi半导体低维量子结构的电学特性张胜坤，男，1972年02月生，1996年09月师从复旦大学王迅教授，于1999年07月获得博士学位。摘 要在半导体低维量子结构的基础物性和实际应用的研究中，电学特性的研究在其质量表征、能级结构和量子限制效应的验证以及新型器件的设计等方面发挥着十分重要的作用。空间电荷谱正是研究半导体低维量子结构的纵向电学特性的有效手段，因而得到了广泛的应用。本文应用空间电荷谱研究了GeSi半导体低维量子结构的电学特性。从理论和实验上对Si基Ge量子点的导纳谱进行了系统的分析。运用深能级瞬态谱(DLTS)研究了Si基Ge量子点的时间相关的空穴俘获过程。较深入地

2、研究了GeSi/Si量子阱结构的电导电压特性。1. 用导纳谱研究Si基Ge量子点的库仑荷电效应半导体量子点已成为当今物理学研究的热点之一。量子点又称为人工原子。是用现代生长工艺制造出来的尺寸在纳米量级的半导体晶粒。电子（或空穴）在其中的能量状态是类原子的分立能级结构。而且，由于电子(或空穴)被束缚在一个相对小的区域内，电子（或空穴）在其中表现出显著的库仑荷电效应，载流子之间强烈的库仑相互作用会引起能级结构的变化。研究量子点中的分立能级结构和库仑荷电效应，无论在理论上还是在实际应用中都具有重要意义。由于受量子点尺寸大小和实验方法的限制，现有的有效的测试技术都要求依赖于光刻技术的特殊设计的样品，并

3、需要极低的测量温度。在本论文中，我们首次提出导纳谱研究半导体量子点的能级结构和库仑荷电效应。发展了量子点的导纳谱原理，并详细推导出了量子点中载流子发射率和量子点电导的表达式。运用变偏压的导纳谱测量了掩埋于Si中的自组织生长的Ge量子点的能级结构和库仑荷电效应，确定了空穴基态和第一激发态的能量位置以及库仑荷电能的大小。这一方法的测量温度区间在液氮温度（77K）以上，计算载流子能量的方法直观简便、精度高，允许量子点的尺寸存在较大的非均匀性分布，而且在计算能级的同时还可获得俘获截面的有关信息。实验样品是在电阻率为0.01W·cm的P型Si（100）单晶衬底片上用分子束外延的方法生长的。首先

4、在衬底温度为600时生长一层厚度为100nm的Si缓冲层，然后在衬底温度为500时交替生长三个周期的Ge量子点层和50nm厚的Si间隔层，Ge层的淀积量为1.3nm。最后覆盖一层约400nm Si。当Ge的淀积量超过1nm时，反射式高能电子衍射(RHEED)图样中出现箭头，表明Ge已自组织凝聚成岛。样品横截面的透射电子显微镜的观察结果证实了Ge岛的形成，浸润层的厚度约为0.8nm，Ge岛的典型直径约为13nm，典型高度约为3nm。对在同样生长条件下制备的无覆盖层的Ge量子点层的原子力显微镜的观测显示，Ge岛的面密度约为2×108cm-2，尺寸的非均匀性小于10%。样品的正面蒸铝形成肖

5、特基接触，背面蒸铝形成欧姆接触。导纳谱测试是在一台HP4275A型的LCR仪上进行的。测试时分别取五个不同的频率1MHz、500KHz、300KHz、100KHz和50KHz。温度扫描的区间为100-250K。在0.2V-1.4V的电压范围内，每间隔0.1V作了导纳谱测量。通过计算可得到不同偏压下空穴的激活能。不难发现，激活能随偏压变化呈现几个分立值，分别为417（Ea1），388（Ea2），263（Ea3）,233（Ea4），202（Ea5）meV。这五个分立的能量值反映了Ge量子点的分立能级结构和库仑荷电效应。当外加偏压从-1.4V增至0.2V的过程中，空穴从基态至激发态逐个填充量子点中的

6、束缚能级。由于空穴间强的库仑相互作用，即使同一能态上的空穴在向Si价带发射时也会因先后次序的不同而在能量上存在差别，这一差别约为30meV，因此可以判定这一能量差别来源于库仑荷电效应。而Ea1、Ea2分别代表了量子点的基态能级上两个空穴先后发射的能量，Ea3、Ea4、Ea5分别代表了第一激发态能级上三个空穴先后发射的能量。通过计算可得到不同激活能的空穴的俘获截面，发现俘获截面与激活能是指数相关的。其数值在10-810-11cm2之间，比一般半导体中的缺陷的俘获截面要高数个量级。这表明量子点具有极强的俘获载流子的能力。实验结果表明，这一方法具有测量温区高、信号强、简便、直观等优点。2. 用深能级

7、瞬态谱研究Si基Ge量子点的空穴俘获过程本论文还运用深能级瞬态谱(DLTS)研究了Si基Ge量子点的时间相关的空穴俘获过程，并用深能级瞬态谱观察到了Si基Ge量子点中的轻重空穴的发射，确定了其能量位置。通过改变脉冲宽度的DLTS测量，观察到了Ge量子点逐个俘获空穴的过程。由于库仑荷电效应，从Ge量子点中空穴发射引起的DLTS峰的峰位，将随着量子点中空穴数目的增多而向低温方向移动。在用DLTS实际测量样品时，正面施加一个脉冲宽度为tp的电压脉冲，脉冲前后偏压的变化需使得费米能级扫过量子点中所有或某一空穴束缚能级，以使空穴注入Ge量子点。从零到tp的脉冲期间，量子点中开始填入空穴，随着脉冲时间的延

8、长，更多的空穴逐个填充各个能态，直至饱和于N0为止。若在量子点达到饱和填充之前就结束脉冲，就可以达到通过调节脉冲宽度来控制填充空穴的数目的目的。脉冲过后，在反向偏压下空穴将从量子点中某能级发射至Si价带顶，在DLTS曲线中将形成DLTS峰。由于库仑荷电效应，同一能态上的空穴的激活能会随着填充空穴的数目的增多而降低，从而引起DLTS峰向低温方向移动。 实验样品的结构与导纳谱相似，只是量子点的尺寸有所不同，通过DLTS测量，可以观察到空穴从量子点中三个不同能级上发射所对应的DLTS信号峰，其激活能分别为b1: 470±10meV，b2: 420±10meV，b3: 295

9、77;5meV，这对应于轻、重空穴能级LH0、HH0及第一激发态能级HH1。通过变脉冲宽度的DLTS测量，对量子点中在第一激发态能级上逐个俘获空穴的过程进行观察。实验表明，该能级俘获空穴所需的时间比量子阱和缺陷要短得多，仅在315ms的范围。随着脉冲时间的缩短，DLTS峰位向高温方向移动，这是由于缩短了的俘获时间使得在量子点中俘获空穴的数目减少而引起库仑能的变化造成的。在不同脉冲宽度下测得的DLTS峰的激活能出现了台阶式的跳变，这一台阶的能量大小反映了量子点平均每俘获一个空穴要克服的库仑能的大小。实验结果表明在HH1能级上最多可容纳4个空穴。 为了进一步证实量子点的时间相关的俘获过程，设Ge量

10、子点在不同脉冲时间内俘获不同数目的空穴，取空穴激活能为实验值，可模拟计算了不同脉冲宽度时的DLTS谱，它们与实验曲线符合得很好。它们揭示了HH1能级从1到4逐个俘获空穴的过程。3. GeSi量子阱结构的电导-电压特性从理论和实验上较详细地研究了GeSi半导体量子阱的G-V特性，提出电导法可以成为一种确定量子阱能带偏移的简便有效的方法，根据等效电路模型，合理地解释了量子阱G-V曲线中出现电导峰等现象，并分析了测试频率和测试温度对量子阱G-V特性的影响，导出了从G-V关系计算量子阱能带偏移的方法。对多个SixGe1-x/Si单量子阶和多量子阱样品的G-V特性进行了测量，并由此计算了各样品中在量子阱

11、附近费米能级随偏压的变化关系（EFV），随温度的变化关系（EFT）以及确定了各量子阱的能带偏移。所有实验结果与理论预期符合得很好。在G-V特性的测量中，随着加在样品两端偏压的变化，费米能级的位置发生移动，使得量子阱电导GW发生显著变化，对应于每一个阱都会在特定的电压处出现一个电导峰，同时在C-V曲线中出现一个电容平台。通过这一方法，可以测量量子阱附近的费米能级随外加偏压的变化关系，进而可确定能带偏移值。还能测定不同温度时费米能级的位置。对不同频率和不同温度下测量的多个GeSi/Si单量子阱和多量子阱样品的电导-电压特性曲线的分析表明，电导法是测量量子阱的能带偏移的简单有效的方法。其独特的优点是

12、能够测量多量子阱结构中各个阱的阱深的变化。与空间电荷谱的其它测试方法相比，以量子阱的G-V特性为依据的电导法具有其独特的优点。在导纳谱和深能级瞬态谱的测量过程中，温度和外加偏压的变化都会影响样品的能带变化，这些变化很难在能带偏移的计算中考虑进去。而在电导法测量过程中，温度保持不变，还可以得到完整的EFV关系。在不同温度下使用电导法还可揭示量子阱的EFT关系。电导法的独特之处还在于它可以通过一次测量来分别确定多量子阱结构中各个阱的能带偏移值，这是其它方法所不能替代的。与C-V法相比，电导法不需要调节多个参量通过数值模拟来获得能带偏移。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