Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線及相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本論文工作是圍繞課題組承擔(dān)的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（No：2010CB327600）、國家863計(jì)劃項(xiàng)目（No：2009AA03Z405，2009AA03Z417）、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（No：B07005）、國際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目（No：2006DFB11110）、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助（No：NCET-08-0736）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助（No：BUPT2009RC0409，BUPT2009RC04

2、10）、教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”（No：IRT0609）展開的。
　　 低維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)本身有很多的優(yōu)點(diǎn)，在低維結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體納米線（或者量子線）由于具有眾多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而在新一代電子、光電器件以及系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。利用自下而上的外延生長方法所制備的納米線具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如高的晶體質(zhì)量、生長方向更易于控制、易于形成有序的自支撐納米線陣列、更易于集成等。半導(dǎo)體納米線材料的合成技術(shù)和控制生長方法對納米線結(jié)構(gòu)和器件

3、的發(fā)展有著舉足輕重的作用，對于納米線的研究不僅要解決其外延生長的問題（如晶體質(zhì)量控制、摻雜、實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性等），還要解決納米線的位置控制、生長方向和形貌控制、納米線器件的制備以及相關(guān)功能集成等問題。目前，納米線生長面臨的主要問題包括：生長控制、異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備、摻雜、基于Si襯底的功能集成。本論文圍繞著Ⅲ-V族半導(dǎo)體納米線以及相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長問題開展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作，對于InP、GaAs、GaP、InAs、InGaAs納米線和相

4、關(guān)納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長機(jī)制和優(yōu)化生長開展了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。主要研究成果如下所述：
　　 1、在GaAs納米線生長方面取得重要進(jìn)展。探索了Au輔助生長GaAs納米線的最佳生長條件，利用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（LP-MOCVD）技術(shù)在GaAs（111）襯底上生長出高質(zhì)量的GaAs納米線，TEM測試顯示所生長的GaAs納米線是無缺陷的純閃鋅礦結(jié)構(gòu)。研究表明： TMGa在Au-Ga合金液滴表面為選擇性裂解，生長過程中吸附原

5、子擴(kuò)散對軸向生長的貢獻(xiàn)可以忽略，所以合金液滴的過飽和度在生長過程中能保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)無缺陷的納米線生長。
　　 2、探索了金薄膜厚度與GaAs納米線的密度、直徑分布和生長速率的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了不同直徑和密度GaAs納米線的等高生長。測試結(jié)果顯示GaAs納米線的密度隨著金薄膜厚度的增加而減小，平均直徑和生長速度隨著金薄膜的厚度增加而增加。研究表明：納米線的等高生長源于反應(yīng)室中高的過飽和度，而合金顆粒密度越大，覆蓋率就越大，氣相源分子

6、的收集面積越小導(dǎo)致生長速度隨密度的增加而減小。
　　 3、首次實(shí)現(xiàn)了Si基無缺陷純閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs納米線的生長。在Si（111）襯底上，首先生長GaAs/AlGaAs緩沖層，利用雙溫生長技術(shù)，生長出無缺陷純閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs納米線。研究表明應(yīng)用緩沖層技術(shù)可以有效地釋放失配應(yīng)變，突破納米線大失配異質(zhì)外延的臨界直徑限制，并且緩沖層可以有效阻擋Au原子向襯底擴(kuò)散以及襯底Si原子向納米線擴(kuò)散。
　　 4、分析了GaP和InP納

7、米線的生長特點(diǎn)。討論了在Si（111）襯底上生長了GaP納米線的形貌和生長特點(diǎn)。討論了InP（100）襯底上生長具有K型、瓶型、Y型、L型等復(fù)雜形貌的InP納米線，分析了襯底取向、擴(kuò)散原子、Gibbs-Thomson效應(yīng)等的影響以及生長動(dòng)力學(xué)過程?？疾炝薎nP（111）襯底上生長InP納米線的生長特點(diǎn)。
　　 5、探索了InP/GaAs、InAs/GaAs軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的生長特點(diǎn)。討論了不同半導(dǎo)體材料串接生長軸向納米線異質(zhì)結(jié)

8、構(gòu)時(shí)出現(xiàn)的生長方向混亂現(xiàn)象，研究表明不同材料串接生長成異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線時(shí)受到界面能差異和臨界直徑的限制。
　　 6、應(yīng)用彈性力學(xué)模型分析了含有組分漸變緩沖層的軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與應(yīng)力分布。研究表明漸變緩沖段單層越薄越能有效釋放應(yīng)變，并且該結(jié)構(gòu)可以顯著改善軸向串接納米線生長的界面能，突破納米線異質(zhì)外延臨界直徑的限制。
　　 7、首次實(shí)現(xiàn)了InAs/InχGa1-χAs/GaAs軸向雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長，并實(shí)現(xiàn)了GaAs/AlGa

9、As軸向多量子阱和徑向“核-殼”異質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制生長。利用插入InχGa1-χAs組分漸變緩沖段實(shí)現(xiàn)了InAs/InχGa1-χAs/GaAs軸向雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。TEM測試表明，所生長的InAs段納米線是具有周期孿晶面結(jié)構(gòu)的純閃鋅礦結(jié)構(gòu)，組分漸變緩沖段可以有效的釋放應(yīng)變和應(yīng)力，克服界面能差異引起的生長方向紊亂。通過控制生長溫度分別抑制徑向和軸向生長得到GaAs/AlGaAs軸向多量子阱和徑向“核-殼”異質(zhì)結(jié)構(gòu)。15K PL譜測試表明，徑向“核