mocvd兩步法生長gan量子點

1、高技術(shù)通訊高技術(shù)通訊gaojixugaojixutongxuntongxun19981998年第8卷第6期Vol.8Vol.8No.6No.6科技期刊科技期刊MOCVD兩步生長法制備GaN量子點（1998年1月22日收到）陳鵬沈波王牧周玉剛周玉剛陳志忠陳志忠臧嵐劉小勇劉小勇黃振春黃振春鄭有鄭有閔乃本閔乃本（南京大學(xué)物理系固體微結(jié)構(gòu)實驗室南京210093）杭寅(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所合肥230031)摘要報道了用金屬有機化學(xué)氣相

2、沉積(MOCVD)方法在藍(lán)寶石襯底上成功地制備出GaN量子點。采用了500℃低溫沉積和1050℃高溫退火的兩步制備法制備出密度為5108cm－2～6109cm－2、直徑約40nm的GaN量子點。GaN量子點的密度和大小由原子力顯微鏡(AFM)觀察測得，并由制備溫度和時間所控制。觀察到GaN量子點僅在高溫退火后生成，這可解釋為由于低溫沉積，最初的沉積層中的應(yīng)變能得不到釋放而成為具有較高能量的中間亞穩(wěn)態(tài)相，高溫退火使得應(yīng)變能得到釋放，生成G

3、aN量子點。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：GaN量子點，金屬有機化學(xué)氣相沉積，中間亞穩(wěn)態(tài)相一、引一、引言最近，國際上幾個研究小組分別報道了GaN的量子點或其納米結(jié)構(gòu)［1，2］，這表明該領(lǐng)域漸漸引起了人們的興趣。量子線或量子點等低維結(jié)構(gòu)帶來的許多新的物理現(xiàn)象是量子器件研制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，以GaN為主的寬禁帶IIIV氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)用取得了突破性進展，日亞公司已成功地制備出GaN基發(fā)光二極管和激光二極管(LEDLD)［3，4］。低維結(jié)構(gòu)在器件應(yīng)用中有著非常重

4、要的作用，器件有源部分采用低維結(jié)構(gòu)可大幅度改善器件的性能。根據(jù)StranskiKrastanow(SK)生長模型［5］，如果在襯底與外延層之間存在晶格失配，則外延層最初是二維層狀生長，隨著外延層增厚，為降低外延層中的應(yīng)變能而轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀生長。實際上，在IIIV族化合物［8－8］或GeSi［9，10］體系中制備量子點都是基于SK生長模型。制備IIIV族化合物量子點通常要求量子點生長在很短的時間內(nèi)，典型時間是3～10秒。顯然，在短時間內(nèi)生

5、長對控制量子點的密度和尺度是不利的。我們在金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)中在藍(lán)寶石襯底上成功地制備了GaN量子點。采用500℃低溫沉積和1050℃高溫退火的兩步制備法，GaN量子點經(jīng)數(shù)分鐘的高溫退火后生成。這種方法使得GaN量子點的生成更易控制，其密度和大小由原子力顯微鏡(AFM)觀察測得。二、實驗與結(jié)果二、實驗與結(jié)果眾所周知，一個系統(tǒng)可以通過一系列的中間態(tài)到達最終的平衡態(tài)［13］。這在GeSi外延系統(tǒng)中已經(jīng)得到體現(xiàn)［10］。如

6、果直接形成終態(tài)需要克服較大的勢壘，則系統(tǒng)趨于經(jīng)歷一系列的中間態(tài)來到達最終的平衡態(tài)，每一中間態(tài)都具有較小的形成能。我們采用500℃低溫沉積和1050℃高溫退火的兩步制備法制備出GaN量子點，即利用中間態(tài)：用低溫沉積，使最初的沉積層中的應(yīng)變能圖2αAl2O3襯底上GaN量子點AFM照片樣品經(jīng)過1050℃，5分鐘退火圖3αAl2O3襯底上GaN低溫沉積層AFM照片樣品經(jīng)過1050℃，1.5分鐘退火考慮到在GaN和αAl2O3之間14%的晶格失

7、配，GaN應(yīng)變層的臨界厚度是非常小的。在我們的實驗中，20nm的低溫沉積層厚度已經(jīng)大于臨界厚度。然而，圖1所示的低溫沉積層表面形貌是一非常平的平面，這說明低溫沉積層的異質(zhì)生長始終是二維生長，層中積累的應(yīng)變能沒有按SK模型那樣得到釋放，所以低溫沉積層是生產(chǎn)過程中的一個非平衡中間態(tài)。這個非平衡中間態(tài)的產(chǎn)生是由于GaN沉積時溫度較低，原子和微島的遷移因無足夠的熱動能而被阻止。當(dāng)溫度升到1000℃以上并充分退火后，低溫沉積層中的原子和微島具有了

8、足夠的熱動能進行遷移，因而聚集成較大的島(量子點)，從而釋放應(yīng)變能，系統(tǒng)達到最終的平衡態(tài)。實驗中，GaN低溫沉積層被退火，但尚未充分退火前的過渡狀態(tài)可被觀察到，如圖3所示，其中量子點和微島都清晰可見。三、結(jié)束語三、結(jié)束語我們用兩步制備法在金屬有機化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中在藍(lán)寶石襯底上成功地制備了GaN量子點。由原子力顯微鏡觀察測得量子點密度為5108cm－2～6109cm－2，直徑40nm。GaN量子點的密度和大小可通過改變兩步制備過程中的溫

9、度和時間來控制。我們觀察到GaN量子點僅在高溫退火后生成，這可解釋為由于低溫沉積，最初的沉積層中的應(yīng)變能得不到釋放，成為具有較高能量的中間亞穩(wěn)態(tài)，高溫退火使得應(yīng)變能得到釋放，生成GaN量子點。參考文獻：參考文獻：［1］TanakaSIwaiSAoyagiY.Appl.Phys.Lett.199669:4096［2］GoodwinTJLeppertVJSmithOAetal.Appl.Phys.Lett.199669:3230［3］Nak

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