分子束外延InAs量子点材料的透射电子显微镜研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.02.052 第21卷第2期 北京科技大学学报 VoL21 No.2 1999年4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 分子束外延InAs量子点材料的透射 电子显微镜研究 白元强)莫庆伟2》范缇文2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国科学院半导体研究所 摘要报道了利用分子束外延技术在(O0I)GaAs村底上生长的单层及多层nAs量子点材料的 透射电子显微镜(TEM)研究结果，并对量子点的结构特性进行了讨论.结果表明：多层量子点呈现 明显的垂直成串排列趋势；随若As量子点层数的增加，量子点的密度下降，其尺寸随层数的增加 趋向均匀.在试验条件下，5层量子点材料的As量子点厚度和GaAs隔离层的厚度的选择都比较 合理，其生长过程中的应变场更有利于自组织量子的形成， 关键词分子束外延技术；自组织生长；InAs量子点 分类号TN304.054 在GaAs衬底上自组织生长InAs量子点结 生长，其生长速率为0.2μmh,V/Ⅲ束流比为15. 构，是一种很有前途的直接生长零维限制结构的 利用离子减薄技术分别制备了3种结构材料的电 新方法，已经成为当今国际半导体界的研究热 子透明薄膜，用H-800透射电子显微镜，操作电压 点，国外个别研究小组已经利用这种方法制备了 为200kV的条件下对试样进行平面及横断面透 发光二极管、激光器等原型器件.由于量子点材 射电子显微镜观察.图1是nAs/GaAs外延材料的 料的电子结构由体材料的连续能带变为准分裂 生长结构示意图，(a),(b),(c)分别表示出单层.5 能级，并且由于维度和尺寸的减小，致使跃迁能 层及10层nAs量子点材料的生长结构细节. 隙增加，所以在光吸收谱上表现为向短波方向移 动，呈现出峰值的“蓝移”，为了推进量子材料及 (a) (b) 其相关器件的实用化进程，目前所急需解决的关 Cap100μn GaAs Cap100μm GaAs 键技术问题之一是实现量子点尺寸的均匀性.研 3ML InAs 14ML GaAs X5 究结果表明，多层量子点的自组织生长技术对于 3ML InAs 促进量子点尺寸的均匀化起着重要的作用. buffer GaAs buffer GaAs 本文介绍了利用分子束外延技术在(001) GaAs村底上生长的单层及多层nAs量子点材料 (c) 的透射电子显微镜(TEM)研究结果，并对量子点 Cap100μm GaAs 的结构特性进行了讨论， 16ML GaAs X10 1试验材料及试验方法 2ML InAs buffer GaAs 试验所用样品是在(001)GaAs村底上，利用 Riber32P分子束外延设备生长的.在砷压的保 护下，首先在580℃下去除料底的氧化层并在 图1量子点的生长结构图.(a)单层1nAs厚度为3个分 600℃下生长0.5μm厚的GaAs缓冲层；随后降低 子层(ML),(b)5层InAs,其中nAs层厚3个分子层， 衬底温度至505℃开始进行InAs量子点的外延 GaAs隔离层厚14个分子层，(c)10层InAs,其中nAs 1998-07-31收稿白元强男，34，工程师 层厚2个分子层，GaAs隔离层厚16个分子层 国家自然科学基金资助课题(N0.69576028)

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 分子束外延 量子点材料的透射 电子显微镜研究 白元 强 ’ 莫庆伟 北 京科技大学材 料科学 与工 程 学 院 ， 北京 范缓文 中国科学院半导体研究所 摘 要 报道 了利 用 分 子 束外延 技术在 衬底 上 生 长的单层及多层 劝人 量子点材料的 透射 电子显微镜 研究结果 ， 并 对量 子点 的结构特性进行 了讨论 结果表明 多层量子点呈现 明显的垂直成 串排列 趋势 随着 量 子点层数的增加 ， 量子点 的密度下降 ， 其尺寸随层数的增加 趋 向均匀 在试验条件下 ， 层量 子点材料 的 几 量子点厚度和 隔离层 的厚度的选择都 比较 合理 ， 其生长过程 中的应变场更有利 于 自组织量 子 的形成 关键词 分子束外延技术 自组织 生 长 】几 量 子点 分类号 在 衬 底 上 自组 织 生 长 量 子 点 结 构 ， 是 一 种 很 有 前途 的直 接 生 长 零 维 限制 结 构 的 新 方 法 ， 已 经 成 为 当今 国 际 半 导 体 界 的 研 究 热 点 ， 国外 个别 研究 小 组 已 经 利 用 这 种 方 法 制备 了 发 光二极管 、 激光器等 原 型器件 川 由于 量 子 点材 料 的 电 子 结 构 由体材 料 的 连 续 能 带 变 为 准 分 裂 能 级 ， 并 且 由于 维 度 和 尺 寸 的 减 小 ， 致 使跃迁 能 隙增 加 ， 所 以 在 光 吸 收 谱上 表 现 为 向短 波 方 向移 动 ， 呈 现 出 峰 值 的 “ 蓝 移 ” 为 了 推 进 量 子 材 料 及 其相 关器 件 的 实 用 化进程 ， 目前所急 需 解 决 的 关 键技 术 问题 之 一 是 实 现量 子 点 尺 寸 的均 匀 性 研 究 结果表 明 ， 多 层 量 子 点 的 自组 织 生 长技 术对于 促进量 子 点 尺 寸 的均 匀化起着 重要 的作 用 本 文 介 绍 了 利 用 分 子 束 外 延 技 术 在 衬底 上 生 长 的单层及 多 层 量 子点材料 的透射 电子 显微镜 研究 结果 ， 并 对量 子 点 的结构特性 进行 了讨论 生 长 ， 其 生 长速率为 “ 田几 ， 束流 比为 利用 离子减薄技术分别制备了 种结构材料 的 电 子透 明薄膜 ， 用 一 透射 电子显微镜 ， 操作 电压 为 的条件下 对试样 进行 平 面 及 横 断 面 透 射 电子显微镜观察 图 是 外 延 材料 的 生 长结构示 意 图 ， ， ， 分别 表示 出单层 、 层及 层 量 子点材料 的生 长结构细 节 “ 臼 卜 免 卜 卜 试验材料及试验方法 试 验所用 样 品是 在 衬底 上 ， 利 用 形 分 子 束 外 延 设 备 生 长 的 在 砷 压 的保 护 下 ， 首 先 在 ℃ 下 去 除 料 底 的 氧 化 层 并 在 ℃ 下 生 长 “ 厚 的 缓 冲层 随后 降低 衬 底 温 度 至 ℃ 开 始 进 行 量 子 点 的 外 延 一 一 收稿 白元强 男 ， ， 工程 师 国家 自然科学基金资助课题 认 七 几 图 子点的生长结构图 单层 厚度为 个分 子层 ， 层 ， 其中 层厚 个分子层 ， 隔离层厚 个分子层 ， 层】 ， 其中 层厚 个分子层 ， ，隔离层厚 个分子层 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．02．052

VeL21 No.2 白元强等：分子束外延As量子点材科的透射电子显微镜研究 ◆183· 从图2及图3的比较可以发现：(I)随蓍nAs 2实验结果及分析 量子点层数的增加，量子点的密度下降，图2(6) 图2、图3和图4分别为具有单层、5层及10 为单层量子点的平面电子显微像，在所用的放大 层nAs量子点结构的外延材料的平面及截 倍数下许多尺度低于5nm的量子点未能充分显 面TEM照片，3级照片的放大倍数相同，由图2(a) 示，实际上量子点面密度已高达10"cm2,而 右下的标尺给定，从电镜截面像可以清晰地看到 图3(a)中的5层nAs量子点的面密度已降至 多层量子点成串纵向排列.总的说来，无论沿平 10°~10cm2.(2)量子点的尺寸随层数的增加趋 行于生长方向(PVTEM),还是沿垂直于生长方 向均匀.单层量子点的尺寸分布由5nm至40nm, 向(XTEM)进行观察，TEM的研究结果都表明在 而对于5层量子点，其尺寸为(5±25)m.图3(a) 所采用的生长条件下InAs量子点已经形成， 清楚显示出尺寸均匀化的过程，在箭头处可见在 (b) 0.1ym 图2 单层血Au量子点材科的TEM像.()常面透射电子型量像，(b)平面进射电于显微像 图35展A量子点材料的TEM像.()蒙面进射电子要撒像 (6)平面遗射电子显兼像 ( b 图~10层A心量子点材料的TEM像，(a)酸面理射电子显鞭像(b)平面进射电子显撒像

·184· 北京科技大学学报 1999年第2期 1,2层的2个小岛合并成一大岛，；图4为10层 结构产生的应变场在量子点自对准过程中起着 InAs量子点的截面和平面电子显微镜照片.从 主要的控制作用☒.当InAs层较薄时所形成的量 图4(a)仍能观察到沿垂直方向自组织排列的坡 子点尺寸较小，其应变场对上层GaAs隔离层的 度平缓的“丘”状结构，“丘”与“丘”之间由较厚的 作用较弱，所形成低应变的位置不明显.另外，如 浸润层相连.结合图4(b)的平面电子显微像分 果GaAs隔离层较厚，也会有类似的效果，即会削 析，可以确定这种“丘”与“A"类量子点相对应，而 弱埋层InAs岛的应变场对上层GaAs隔离层的影 “A”之间的B型量子点与浸润层的部位相对应， 响，从而在隔离层表面上不存在明显的低应变的 所以浸润层并不是均匀化的二维平面，而是包含 位置，所以，本实验中的5层量子点材料无论从 一些小量子点，由于高度起伏很小以致在横断面 InAs量子点的厚度，还是从GaAs隔离层的厚度 电子显微像中难以检测. 的选择都是比较合理的，其生长过程中的应变场 图3及图4的比较表明，2种材料系中量子点 都更有利于自组织量子点的形成， 的结构性能差别很明显，对比10层量子点材料，5 层量子点材料具有更明显的垂直自组织效应及 3结论 更均匀的尺寸分布，其原因是它们的生长结构不 (1)随着InAs量子点层数的增加，量子点的 同.与5层量子材料相比，10层量子点材料中 密度下降.(2)量子点的尺寸随层数增加趋向均 InAs层比较薄，而GaAs隔离层又更厚.因此这2 匀.(3)由于材料的生长结构细节控制了材料生 种体系中，量子点形成过程中具有不相同的应变 长过程中的应变条件，因此，材料的结构设计对 环境.从根本上讲，多层量子点沿垂直方向自对 于量子点的垂直自组织效应及其他特性有着重 准的驱动力来自于生长过程中的应变场.当在 要影响. nAs岛上覆盖一层GaAs时，如果GaAS的厚度 较薄，被掩埋的InAs岛诱导的应变将会一直延伸 参考文献 到GaAs隔离层的表面，使得岛的正上方的GaAs 1王志明，吕振东等.不同厚度GaAs覆盖层对自组织生 的隔离层的晶格常数增大，从而缩小了与nAs之 长As量子点退火效应的影响.半导体学报， 间的品格失配，当下一周期nAs层生长时，位于 1997(9):715 底层InAs岛正上方的GaAs隔离层的位置成为热 2朱东海.AlGaAs/GaAs,InGAs/GaAs体系光电子材 力学能量较低的位置，所以新一层InAs将优先在 料的BE生长及相关性质研究：[学位论文]，北京：中 这些低能量的位置上成核与生长.因此不同生长 国科学院半导体研究所，1997 Study of Molecular Beam Epitaxy InAs Multilayers Dots by TEM Bai Yuangiang,Mo Qingwei,Fan Tiwen?) 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Semicouductors,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China ABSTRACT Single-and Multi-layer InAs quantum dots grown on (001)GaAs substrates by molecu- lar beam epitaxy (MBE)were studied by transmission electron diffraction (TEM)and the structural properties of the quantum dots were discussed.The results indicated that multi-layer quantum dots are aligned vertically,in addition,the density of the dots decreases and the size of dots becomes uniform when the number of layers increases.In this experiments,the thickness of InAs dots sheets and GaAs space layers in samples with five dots sheets are the best condition to form the strain field needed by growth of self-organized quantum dots. KEY WORDS molecular beam epitaxy;self-organized growth;InAs quantum dots

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 ， 层 的 个 小 岛合 并 成 一 大 岛 图 为 层 量 子 点 的 截 面 和 平 面 电 子 显 微 镜 照 片 从 图 仍 能 观 察 到 沿 垂 直 方 向 自组 织 排 列 的 坡 度 平 缓 的 “ 丘 ” 状 结 构 ， “ 丘 ” 与 “ 丘 ” 之 间 由较 厚 的 浸 润 层 相 连 结 合 图 的 平 面 电 子 显 微 像 分 析 ， 可 以 确定 这 种 “ 丘 ” 与 “ ” 类 量 子 点相 对应 ， 而 “ ” 之 间 的 型 量 子 点 与 浸 润 层 的部 位 相 对应 ， 所 以 浸 润 层并 不 是 均 匀化 的二 维 平 面 ， 而 是 包含 一 些 小 量 子 点 ， 由于 高度起 伏很 小 以 致 在 横断面 电子 显微像 中难 以 检 测 图 及 图 的 比较表 明 ， 种 材 料 系 中量 子 点 的结构性 能差 别很 明显 ， 对 比 层量 子 点材料 ， 层 量 子 点 材 料 具 有 更 明 显 的 垂 直 自组 织 效 应 及 更 均 匀 的 尺 寸分布 ， 其原 因是 它 们 的生 长 结构不 同 与 层 量 子 材 料 相 比 ， 层 量 子 点 材 料 中 层 比较 薄 ， 而 隔离层 又 更 厚 因此 这 种 体系 中 ， 量 子 点形 成 过 程 中具有 不 相 同 的应 变 环 境 从根 本 上 讲 ， 多 层 量 子 点 沿 垂 直 方 向 自对 准 的 驱 动 力 来 自于 生 长 过 程 中 的 应 变 场 当在 力 岛 上 覆 盖 一 层 时 ， 如 果 的 厚 度 较薄 ， 被掩埋 的 几 岛诱导 的应变 将 会一 直延 伸 到 隔 离层 的表 面 ， 使 得 岛 的正 上 方 的 的 隔离层 的 晶格 常数增 大 ， 从而 缩小 了 与 之 间 的 晶 格 失 配 ， 当下 一 周 期 层 生 长 时 ， 位 于 底 层 岛正 上 方 的 隔离层 的位置成 为热 力学 能量 较低 的位置 ， 所 以 新 一层 将优先在 这 些 低 能量 的位置 上 成 核 与生 长 因此 不 同生 长 结构 产 生 的 应 变 场 在 量 子 点 自对准 过 程 中起 着 主要 的控 制 作 用 当 层 较 薄 时所形 成 的量 子 点尺 寸 较 小 ， 其 应 变 场 对上 层 隔离 层 的 作 用 较 弱 ， 所 形 成 低 应 变 的位 置 不 明显 另外 ， 如 果 隔离层 较厚 ， 也 会有 类 似 的效果 ， 即会削 弱埋层 岛的应变场对上层 隔离层 的影 响 ， 从而 在 隔 离层 表 面 上 不 存 在 明显 的低 应 变 的 位置 所 以 ， 本 实 验 中 的 层 量 子 点 材 料 无 论从 量 子 点 的厚度 ， 还 是 从 隔 离层 的厚 度 的 选 择都是 比较合理 的 ， 其生 长过程 中 的应 变 场 都更有利于 自组织量子点 的形成 结论 随着 量 子 点层 数 的增 加 ， 量 子 点 的 密度 下 降 量 子 点 的 尺 寸 随 层 数 增 加趋 向均 匀 由于 材 料 的生 长结构 细 节 控 制 了材 料 生 长过 程 中 的应 变 条件 ， 因此 ， 材 料 的 结 构设计 对 于 量 子 点 的垂 直 自组 织 效应 及 其他 特 性 有 着 重 要 影 响 参 考 文 献 王 志 明 ， 吕振东等 不 同厚度 覆 盖层对 自组 织 生 长 功 量 子 点 退 火 效 应 的 影 响 半 导 体 学 报 ， 朱东海 ， 体系光 电子材 料的 生长及相 关性质研究 学位论文 北京 中 国科学院半导体研究所 ， 勿 ， ， 。 乃 已刀 ， ， ， ， ， ， 一 一 伪 一 ， ， 说