1、收稿日期:2004202210作者簡(jiǎn)介:廖家欣(19662,男,湖南慈利人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)系實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,主要從事物理實(shí)驗(yàn)的研究.第19卷第2期2004年5月長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JOURNA L OF CH ANG SH A UNI VERSITY OF E LECTRIC POWER (NAT URA L SCIE NCE V ol.19N o.2M ay 2004G eSi 量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究廖家欣,李西南,周慶華(長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)系,湖南長(zhǎng)沙410077摘要:研究了在S i 襯底上自組織生長(zhǎng)G e 島或G e 量子點(diǎn)的光致發(fā)光特性.用原子力顯微鏡(AF M

2、 和透射電子顯微鏡(TE M 觀察G e 島的大小和密度,經(jīng)過680退火30min ,觀察到了量子點(diǎn)的光致發(fā)光.關(guān)鍵詞:G e 量子點(diǎn);光致發(fā)光;P L 光譜;Raman 光譜中圖分類號(hào):T N 304.12-O 433.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100627140(2004022*Study on Brighten Property of the G eSi Q uantum DotsLI AO Jia 2xin ,LI X i 2nan ,ZH OU Qing 2hua(Dept.of Physics &E lectric Science ,Changsha University

3、 of Science &T echnology ,Changsha 410077,China Abstract :Photoluminescence of self 2form G e island in the Si substrate or G e quantum dots is studied.The size and density of the G e island are observed by using Atom F orce Microscope (AFM and T ransmission E lectron Microscope (TE M .A fter an

4、nealing at 680for 30min ,photoluminescence of the G eSi quantum dots is able to be observed.K ey w ords :G e quantum dots ;photoluminescence ;P L spectrum ;Raman spectrum在探索研究硅基發(fā)光材料的過程中,人們發(fā)現(xiàn)G eSi 量子點(diǎn)材料是實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光材料的一種有效途徑,因而G eSi 量子點(diǎn)的光致發(fā)光研究是目前凝聚態(tài)物理非常活躍的研究熱點(diǎn)之一.近年來(lái),由于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的一些奇特的光學(xué)和電子學(xué)特性相繼被發(fā)現(xiàn),而且理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表

5、明,這些半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在微電子和光電子器件中有著潛在的應(yīng)用前景1.在這些納米結(jié)構(gòu)中,自由載流子被約束在很小的空間,如果這個(gè)空間的范圍小于電子的波長(zhǎng),電子的能帶結(jié)構(gòu)將分裂為分立的能級(jí).量子點(diǎn)就像人造原子一樣,其中的電子受到各個(gè)方向的約束,呈現(xiàn)出較強(qiáng)的類似原子發(fā)光一樣的光學(xué)性質(zhì)24.關(guān)于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)研究的一些早期工作,主要集中在G aAs 等2族直接帶隙的半導(dǎo)體材料5,6.間接帶隙結(jié)構(gòu)的G eSi 長(zhǎng)期以來(lái)被人們認(rèn)為不能用來(lái)制作發(fā)光器件.但G eSi 量子點(diǎn)這種新的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的新的發(fā)光特性以及它與目前已經(jīng)成熟的G eSi材料工藝相兼容,所以G eSi發(fā)光材料的研究便成為一個(gè)新的熱點(diǎn)問題

6、.硅基量子點(diǎn)的制備方法近年來(lái)已經(jīng)發(fā)明了許多種,其中一種獲得高質(zhì)量量子點(diǎn)的有效方法是自組生長(zhǎng)量子點(diǎn).這種方法是利用外延材料與襯底材料的晶格失配在外延層中的應(yīng)力隨外延層厚度的增加而增加,積累到一定程度外延材料通過成島釋放應(yīng)力,從而得到量子點(diǎn).在量子點(diǎn)材料領(lǐng)域,一個(gè)關(guān)鍵的問題是如何得到尺寸小,密度高,均勻性好且排列有序的量子點(diǎn),以提高其發(fā)光效率.目前有的實(shí)驗(yàn)小組為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而采用了一種新的方法就是襯底使用斜切的Si襯底片7.在斜切Si襯底上自組織生長(zhǎng)的G e量子點(diǎn)能夠觀察到光致發(fā)光,這一結(jié)果表明,該種納米結(jié)構(gòu)有望制作新型Si基光電器件.最近,Palange等8在Si (001面上外延生長(zhǎng)G e量子

7、結(jié)構(gòu),并觀察到來(lái)自G e 量子點(diǎn)的光致發(fā)光.Abstreiter等9研究了較高溫度下在Si(001襯底外延G e島或富G e島的生長(zhǎng)條件和成島密度,并觀察到相應(yīng)的光致發(fā)光.本文對(duì)用M BE自組織生長(zhǎng)法在Si(001襯底上生長(zhǎng)的量子點(diǎn)用原子力顯微鏡(AFM和橫截面試樣透射電鏡(XTE M觀察了G e島的大小和密度,用P L譜觀察了其光致發(fā)光.1樣品制備與實(shí)驗(yàn)方法2結(jié)果與討論2.1AFM與XTEM圖1給出的是樣品A的AFM與XTE M照片,從這2張照片的觀察分析中我們可以得出如下的結(jié)論:即埋在Si中的G e層和表面的G e層均已成島.從照片(a(AFM可以計(jì)算到島的密度為1×108 cm

8、-2.圖1樣品A的AF M圖(a與XTE M圖(b2.2P L譜在較低溫度下退火(600,30min的樣品與未經(jīng)過退火的樣品的P L譜相同,只出現(xiàn)了與Si襯底有關(guān)的發(fā)光峰.圖2是樣品A經(jīng)700退火30min 的P L譜.除了Si襯底的T O聲子伴峰和一些較弱的與Si襯底有關(guān)的峰外10,在能量為900mev處,出現(xiàn)了一個(gè)寬度為100mev的峰.應(yīng)當(dāng)指出,該樣品中除了G e量子點(diǎn)外,還存在開始二維生長(zhǎng)時(shí)形成的G e層(wetting layer,如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)的P L峰具有量子阱的發(fā)光特性,由于wetting layer很薄,其厚度應(yīng)小于該溫度生長(zhǎng)成島的臨界厚度,量子限制18第19卷第2期廖

9、家欣等:G eS i量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究效應(yīng)使得這樣的量子阱的發(fā)光峰位于1000mev左右11,表明該峰與內(nèi)部和表面的G e量子點(diǎn)有關(guān).圖2樣品A經(jīng)700退火30min后的P L譜(a與樣品B在不同溫度退火后的P L譜(b關(guān)于G e量子點(diǎn)的光致發(fā)光機(jī)制的研究目前尚處于探索階段,有關(guān)文獻(xiàn)上有幾種說法.與低溫生長(zhǎng)時(shí)形成的缺陷或位錯(cuò)有關(guān)的發(fā)光峰,或?yàn)閼?yīng)變局域化激子發(fā)光即所謂的L帶,或是量子點(diǎn)的激子發(fā)光.但是前2種說法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合,一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在能量為900mev出現(xiàn)的發(fā)光峰為量子點(diǎn)的激子發(fā)光.沒有證據(jù)表明該發(fā)光峰是生長(zhǎng)時(shí)形成的缺陷發(fā)光,因缺陷發(fā)光應(yīng)在沒有退火的樣品中觀察到.但在P L

10、譜測(cè)量中,沒有退火的樣品未觀察到該峰的出現(xiàn).與G e的能隙相比,該峰表現(xiàn)為很大的藍(lán)移,根據(jù)理論計(jì)算12,當(dāng)量子點(diǎn)的尺寸約為10nm時(shí),量子點(diǎn)激子的量子約束能為60mev,從P L 譜得到的直徑為300nm,高為50nm的G e量子點(diǎn)激子的量子限制能為60mev,因此無(wú)論根據(jù)理論計(jì)算還是已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其激子的量子限制都不會(huì)引起如此大的藍(lán)移.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Si與G e之間的互擴(kuò)散可以造成該峰的藍(lán)移,圖3(a所示的Raman譜指出, 700退火后Si與G e之間有一定程度的互混,與Si2G e鍵振動(dòng)相聯(lián)系的峰強(qiáng)度略有變化.800退火后,該峰消失,沒有觀察到與位錯(cuò)相聯(lián)系的峰.作為比較,在同一溫度(即

11、580下生長(zhǎng)了G e 量子阱結(jié)構(gòu)樣品.未退火和在不同溫度下退火處理后樣品B的Raman譜如圖3(b所示.圖2(b為相應(yīng)的P L譜.沒有退火的樣品的P L譜與600,30min 退火的樣品的P L譜相同;700,30min退火處理后,除了與Si襯底有關(guān)的發(fā)光峰外,出現(xiàn)了典型的量子阱發(fā)光,其中一個(gè)為量子阱的NP峰,另一個(gè)為T O 聲子伴線,800,30min退火后由于Si與G e之間的混合,發(fā)光峰發(fā)生藍(lán)移.從圖3(b所示的Raman光譜中與G e2G e振動(dòng)相聯(lián)系的Raman峰的強(qiáng)度來(lái)看, 700,30min退火引起的Si2G e之間的互混很小,表現(xiàn)了比樣品A量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)更好的熱穩(wěn)定性.800, 3

12、0min退火后,Si與G e的互混才比較明顯,與G e2G e 振動(dòng)對(duì)應(yīng)的Raman峰的強(qiáng)度明顯變小.雖然700, 30min退火在Si與G e之間會(huì)引起一定程度互混,但是Raman光譜表明,在樣品B中,700,30min退火引起的Si與G e之間的互混很小,然而退火后就可觀察到P L峰,所以樣品A和樣品B中P L峰的出現(xiàn)主要是由于700,30min退火后非輻射缺陷的減少,Si 與G e之間的互混不是導(dǎo)致P L峰出現(xiàn)的原因 .圖3樣品A(a和樣品B(b退火前和在不同溫度下退火20min后的Raman光譜28長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2004年5月3結(jié)論在較低溫度(580生長(zhǎng)的G eSi 量子

13、阱或量子點(diǎn),經(jīng)700退火30min 后,可觀察到與量子阱或量子點(diǎn)相聯(lián)系的激子復(fù)合發(fā)光峰.對(duì)于不成島樣品,Raman 光譜表明700退火30min 引起的Si 與G e 之間的互混不明顯,對(duì)于成島樣品,700退火30min 在Si 與G e 之間引起一定的互混.參考文獻(xiàn):1Jiang Z M ,Xu A M ,Hu D Z ,et al.E ffect of Sb as a Surfactant on the in 2ner diffusion of epilayer G e atoms into is substrateJ .Thin s olid Films ,1998,321:116.2J

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15、2ray diffraction and atom ic force m i 2croscopyJ .J Cryst G rowth ,1997,179:115.4Zhang S K,Jiang Z M ,Qin J ,et al.W ell depth fluctuation of S i (1-x G ex/S i quantum well structures studied by condctance 2v oltage technique J .J Appl Phys ,1998,83:5587.5Zhu H J ,Jiang Z M ,Xu A M ,et al.Self 2org

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18、,388:2618.10裴成文,秦捷,劉曉晗,等.S i (100襯底上部分弛豫外延薄層G e膜的應(yīng)變研究J .半導(dǎo)體學(xué)報(bào),1999,20(7:554.11周星飛,施斌,蔣偉榮,等.硼原子對(duì)S i (100襯底上G e 量子點(diǎn)生長(zhǎng)的影響J .半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2000,21(8:765.12蔣偉榮,周星飛,施斌,等.G e/S i (100界面互擴(kuò)散的喇曼光譜J .半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2000,21(7:663.(上接第79頁(yè) 圖7系統(tǒng)運(yùn)行界面1改變了原有系統(tǒng)主要依賴人工作業(yè)的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)軸承壓裝力變化,判斷壓裝質(zhì)量,對(duì)不合格軸承報(bào)警,自動(dòng)打印壓裝力曲線并保存壓裝數(shù)據(jù);2增加了軸承數(shù)據(jù)管理功能,能夠錄入軸承檢修數(shù)據(jù),并輸出含有軸承組裝信息的標(biāo)準(zhǔn)壓裝記錄單,告別了手工填寫軸承數(shù)據(jù)的繁瑣過程;3采用通