锗硅双层量子点的电学特性研究.pdf

锗硅双层量子点的电学特性研究摘要本文研究了G e S i 双层量子点的耦合效应，从理论和实验L 刘‘用分子束外延( M B E ) 自组织方式生长的s i 基G e 双层量子点的深能级瞬态谱( D L T S ) 、导纳谱( A d m i t t a n c eS p e c t r o s c o p y ) 进行了系统的分析，对三块不同间隔层的双层量子点样品进行电学测试，通过它们不同的电学行为，研究了双层量子点耦合效应跟间隔层厚度的关系1 ．用D L T S 方法研究了双层G e 量子点中载流子的俘获过程，改变脉冲宽度，通过比较三块不同样品的D L ，f s 谱，我们可以很清楚地看到，随着双层量子点间间隔层厚度的增大，两层量子点间的耦合作用相应地减小了当间隔层厚度为4 ．5 r i m 时，两层量子点强烈耦合成单层量子点；当间隔层厚度为6 ．0 n m 时，耦合效应减小，但在两层之间出现了隧穿效应；当间隔层厚度增大为7 ．5 n m 时，耦合效应几乎可以忽略2 ．用导纳谱的方法研究了双层G e 量子点的能级结构及库仑荷电效应通过改变不同的反向偏压，利用不同的测试频率可得出量子点中相应的空穴的激活能。

并跟D L T S 所得到的结果进行比较，得到了样品的更加完整的能级结构，证明了前面所得到的有关双层量子点耦合效应跟间隔层厚度的关系这一结论通过研究单频法和多频法的区别，指出俘获截面跟频率的相关性关键字：双层量子点，耦合效应，隧穿效应，库仑效应，D L T S ，导纳谱水垃”《、，州S i 吨1 扩 纫垒定公市A b s t r a c tI nt h i sw o r k ，t h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nd o u b l el a y e rq u a n t u md o t s ( Q D s ) h a sb e e ns t u d i e d ．As y s t e m a t i ca n a l y s i si sp e r f o r m e do nt h ed e e pl e v e lt r a n s i e n ts p e c t r u ma n dt h ea d m i t t a n c es p e c t n n no fG eQ D se m b e d d e di n S ib a r r i e r s ．T h r o u g ht h ed i f f e r e n te l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e es a m p l e sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e so fs p a c e rl a y e r ，t h ec o u p l i n ge f f e c td e p e n d e n to nt h es p a c e rl a y e rt h i c k n e s si si n v e s t i g a t e d ．1 ．W i t hv a r i o u sp u l s ew i d t h s ，t h ec a p t u r ep r o c e s so fc a r r i e r si nG eQ D si ss t u d i e db yd e e pl e v e lt r a n s i e n ts p e c t r o s c o p y ( D L T S ) ．T h ec o m p a r i s o n so fD L T Ss p e c t r ao ft h et h r e es a m p l e si n d i c a t et h a tt h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e n t w o Q D s l a y e r sd e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e t h i c k n e s so f t h es p a c e rl a y e r ．W h e nt h es e p a r a t e dl a y e ri st h i ne n o u g h ( 4 ．5 n m ) ，t h e r ei sas t r o n gc o u p l i n ge f f e c tw h i c hm a ym a k et h et w oQ Dl a y e r sc o u p l ei n t oo n e ． W h e nt h es p a c e rl a y e ri s6 n m ，t h ec o u p l i n ge f f e c tr e d u c e sd r a m a t i c a l l y ,b u tt h et u n n e l i n ge f f e c tm a k e sh o l e st r a n s f e re a s i l yb e t w e e nt h et W Ol a y e r s ．I ft h es p a c e ri so v e r7 ．5 n m ，b o t ho ft h ec o u p l i n ga n dt u n n e l i n ge f f e c t sc a r lb en e g l e c t e d ．2 ．T h eq u a n t u me n e r g yl e v e ls W a c t u r ea n dC o u l o m bc h a r g i n ge f f e c ti nt h ed o u b l el a y e rG eQ D sh a sb e e ne x t r a c t e di nt h ea d m i t t a n c es p e c t r a ．B yv a r y i n gt h eb i a sv o l t a g e ，t h ea c t i v a t e de n e r g i e so ft h ed i s c r e t ee n e r g yl e v e l sa r eo b t a i n e d ．B yc o m p a r i s o n ，m o r ei n t e g r a t e de n e r g yl e v e ls t r u c t u r e sa r ed i s p l a y e d ，a n db o t hD L T Sr e s u l t sa n dA d m i t t a n c eS p e c t r o s c o p yr e s u l t si m p l yt h es a m ec o n c l u s i o n ：t h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nd o u b l el a y e rQ D sd e p e n d so nt h et h i c k n e s so ft h es p a c e rl a y e r ．A l s o ，t h ec r o s ss e c t i o nd e p e n d e n to nf r e q u e n c yh a sb e e np u tf o r w a r dt h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i n g l ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o na n dm u l t i p l ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o n ．K e yw o r d s ：D o u b l el a y e rQ D s ，c o u p l i n ge f f e c t ，t u n n e l i n ge f f e c t ，C o u l o m be f f e c t ，D L T S ，A d m i t t a n c eS p e c t r o s c o p y锗硅双层量子点的电学特性研究第一章绪论1 ．1 研究锗硅量子点结构的意义1 9 6 9 年，江崎和朱兆祥[ 1 ] 在研究通过双重或多重势垒可能发生共振隧道效应时想到了超晶格的概念。

他们设想将两种晶格匹配的材料交替生长成一维周期性结构1 9 7 1 年，卓以和首先用分子束外延的方法成功地生长出G a A s ／A 1 G a ( 1 - x ) A s 半导体超晶格【2 】随后人们又在这些量子阱( 如图1 ．1 ( b ) ) 、量子线( 如图1 ．1 ( c ) ) 、量子点( 如图1 ．1 ( d ) ) 等低维量子系统中发现了许多新的现象，如量子限制效应、共振隧穿、超晶格微带输运、声予约束效应、二维电子气效应等等正是这些新的特性，也使得半导体器件的设计和制造由原先的“杂质工程”发展到“能带工程”的新范畴因此，在半导体学界有不少人认为，超品格的诞生是继晶体管发明后，半导体物理研究和半导体器件发展的又一新的里程碑，同时也激发起人们更大的研究热情随着K l a u sV o nK l i t z i n g 和崔琦等分别对整数量子霍耳效应[ 3 】和分数量子霍耳效应[ 4 ，5 ] 的发现，人们对准二维体系的研究也日趋成熟目前为止，绝大部分的实验结果都能用一些理论模型加以解释，同时，人们也可以通过理论模拟来预测一些重要的实验现象在理论和实验基础上研制而成的许多包含量子阱结构的器件，如量予阱激光器等，已经在许多领域得到应用。

研究量子阱的成功及其带来的巨大效应，也同时激发了研究人员们向更低维的量子结构进行挑战1 9 8 6 年，T I 公司的R e e d 等首次生长出尺度为2 5 0 n m的量子点【6 ] 由于在量子点中，载流子的运动在空间三个方向上都受到限制，电子( 空穴) 态呈类原子状的分裂能级，即量子化又因为其电子( 空穴) 之间的强烈库仑相互作用，以及在磁场作用下出现塞曼分裂等特性，使得开发新一代的高性能的单电子器件、激光器和各种光电子器件成为可f l [ 7 ，8 ] 随着硅基单电子晶体管在室温下运转的成功实现，G e S i 量子点为实现硅基发光和光电集成提供了新的途径1 ．2 研究锗硅量子点结构的电学方法由于量子点对载流子的束缚作用，使得其呈现出强烈的量子效应，如量子能级、库仑效应等当量子点结构受外场或温度变化的影响时，其内部空间电锗硅双层量了点的也学特r 士研究荷的分布也会相应地发生变化，这些变化可在其外电路可测量量，如电容、电( a ) 体材料( b ) 量子阱( c ) 量子线( d ) 量子点图1 ．1 低维结构材料导等电学参量上表征出来根据这些电学参量随外场或温度的变化关系，可以得到载流子浓度、量子限制能级、能带偏移等重要参量。

1 2 ．1 电容一电压法( c - “电容- 电压( c - 功法最初是用来测量体材料中载流子纵向分布的方法在样品上加上直流反向偏置电压，样品势垒宽度∥会随着反向直流偏压增大而向半导体内部扩展如果在直流偏压上叠加一个小的高频交流电压，势垒宽度也相应地会发生微小的变化d W ，d W 中的载流子在高频电压的交变过程中会流进流出所测量到的电容c 定义为微分电容：C = d Q ／d V 在电压变化d 矿时，势垒区电荷变化为q A ( N D - N A ) d W ，所以电容可以表示为：C = q A a V D ( W ) d W。