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1、第 ! 卷 第 ! 期 #$ 年 !月自 组 装! # $%量 子 点 的 研 究 进 展!黄 昌 俊 余 金 中 王 启 明中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 集 成 光 电 国 家 重 点 联 合 实 验 室 ， 北 京 !#$%$&!&% 收 稿 ， %$&#&( 收 修 改 稿国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 项 目 （ 批 准 号 ： )#)%)） 和 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 （ *%$)$） 资 助+&,-./： 0,1-234567896,.8-:8:2摘 要 回 顾 与 总 结 了 该 实 验 室 对 自 组 装 *6;?） 、 高
2、 电 子 迁 移 率 晶 体 管 （ +A） ， ? 的 ?.FAG-?& 和-&； （ 4） 为 对 应 特 征 的 扫 描 线 图!* 合 金 引 起 的 # 岛 形 状 的 反 常 演 化 +我 们 对 不 同 生 长 条 件 下 ! 量 子 点 的 形 貌 演 化进 行 了 研 究 - 发 现 在 低 生 长 速 率 下 ， 随 ! 层 厚 增加 ， 岛 的 演 化 遵 循 常 规 的 演 化 路 径 ； 而 在 大 淀 积 速率 下 ， 岛 在 生 长 后 期 将 发 生 从 圆 顶 岛 向 金 字 塔 岛 演化 的 反 常 跃 迁 现 象 -图 ) 所 示 的 是 另 外 一 个
3、系 列 ! 量 子 点 的 形 貌演 化 ， 除 了 采 用 大 的 !6(流 量 来 提 高 生 长 速 度 外 ，其 他 的 生 长 条 件 与 图 , 中 的 系 列 相 同 - 但 形 貌 演 化已 明 显 不 同 ， 首 先 ， 岛 的 接 触 角 有 减 小 的 趋 势 ， 从圆 顶 岛 向 金 字 塔 变 化 ； 其 次 ， 岛 的 体 积 随 厚 度 增 加不 明 显 ； 另 外 ， 岛 的 密 度 在 生 长 后 期 （ ,(-&） 一 直保 持 增 加 的 趋 势 - 我 们 认 为 这 一 反 常 演 化 来 源 于 应力 驱 使 的 合 金 效 应 - 当 纯 ! 生
4、长 在 AB 衬 底 上 时 ，高 温 下 有 一 部 分 AB 通 过 原 子 互 混 作 用 要 进 入 到 !岛 中 去 - 但 上 节 对 于 生 长 速 度 较 小 的 情 况 ， 这 一 合金 效 应 并 不 明 显 - 这 是 由 于 在 岛 的 生 长 后 期 存 在 两种 相 互 竞 争 的 弛 豫 方 式 - 一 种 是 通 过 ./01234 成 熟 形成 位 错 大 岛 ， 并 且 消 耗 小 岛 ； 另 一 种 即 上 述 通 过 与衬 底 材 料 的 合 金 来 释 放 应 力 - 在 小 的 淀 积 速 率 的 情况 下 ， ! 吸 附 原 子 拥 有 长 的 扩
5、 散 长 度 ， 在 相 互 碰 撞形 成 新 岛 之 前 就 到 达 已 经 存 在 的 岛 上 ， 参 与 岛 的生 长 ， 形 成 了 大 尺 寸 低 密 度 的 岛 阵 列 - 这 有 利 于 位图 #$%& 量 子 点 的 反 常 形 状 演 化 路 径 的原 子 力 显 微 图 象 （ !() !(）（ 2） ， （ ;） 和 （ -?&， ?-& 和,(-&； （ 4） 为 对 应 特 征 的 扫 描 线 图=)第 ! 卷 第 ! 期 #$ 年 ! 月错 岛 的 形 成 ， 向 金 字 塔 的 合 金 岛 的 反 常 跃 迁 不 被 激活 ! 而 大 的 淀 积 速 率 则 正
6、好 相 反 ， 短 的 扩 散 长 度 使表 面 吸 附 原 子 更 容 易 成 核 形 成 高 密 度 岛 阵 列 ， 高 密度 岛 阵 列 会 对 衬 底 产 生 强 的 应 力 调 制 ， 使 得 岛 与 衬底 的 合 金 效 应 更 容 易 发 生 !图 总 结 了 #$ 上 %&（ (） 的 %) 模 式 的 #$ 岛 演化 路 径 ! 在 发 生 %) 跃 迁 之 前 ， #$ 的 表 面 要 经 过 一系 列 表 面 再 构 演 化 并 形 成 单 原 子 层 高 度 的 二 维 （ *+）岛 ! 在 发 生 %) 跃 迁 之 后 ， #$ 岛 将 沿 着 预 金 字 塔 岛 、
7、金 字 塔 岛 到 圆 顶 岛 的 路 径 演 化 ! 在 岛 的 生 长 后 期 ，低 生 长 速 度 下 ， 岛 遵 循 常 规 的 演 化 路 径 向 位 错 的 超大 圆 顶 岛 演 化 ； 在 大 生 长 速 率 下 ， 大 尺 寸 的 圆 顶 岛将 发 生 应 力 驱 动 的 合 金 ， 这 一 过 程 可 与 形 成 位 错 岛相 互 竞 争 ， 成 为 演 化 路 径 中 的 新 环 节 !图 ! # 模 式 生 长 在 $（ %&） 上 的( 岛 的 演 化 路 径 示 意 图&)! (*$( 自 覆 盖 效 应 +如 上 所 述 ， 在 一 定 的 生 长 条 件 下 ，
8、#$ 岛 会 发 生与 衬 底 的 互 混 效 应 ! 岛 中 的 #$ 原 子 和 衬 底 中 的 %& 原子 会 在 应 力 的 驱 动 下 发 生 质 量 迁 移 ! 这 一 过 程 的 发 生依 赖 于 与 岛 密 度 相 关 的 对 衬 底 的 应 力 调 制 和 对 生 长 温度 的 激 活 ! 可 以 认 为 如 果 在 一 亚 稳 态 的 表 面 上 生 长#$ 岛 ， #$ 岛 的 引 入 必 然 会 通 过 对 衬 底 的 应 力 来 影 响岛 下 的 物 质 的 稳 定 性 ， 在 一 定 条 件 下 也 会 发 生 质 量 迁移 ! 由 此 设 计 了 在 不 同 #$
9、 组 分 （ ! 为 , !(-） 应 变 的%&#$ 层 上 生 长 #$ 岛 的 实 验 ! 并 用 ./0 图 像 对 #$ 岛的 形 貌 进 行 了 统 计 分 析 ， 发 现 与 生 长 在 %& 上 的 #$ 岛相 比 ， 生 长 在 %&#$ 应 变 层 的 #$ 岛 的 表 面 形 貌 有 以 下几 个 主 要 特 征 ： （ (） 岛 的 尺 寸 包 括 高 度 和 底 宽 都 比 直接 在 %& 上 时 大 ， 并 且 随 下 面 %&#$ 层 组 分 增 加 而 增 加 ；（ *） 岛 的 密 度 随 #$ 组 分 增 加 而 增 加 ； （ ） 岛 所 占 面 积的 比
10、 例 随 组 分 增 加 ! 在 高 #$ 组 分 的 %&#$ 上 生 长 时 ，统 计 结 果 表 明 参 与 成 岛 的 体 积 要 远 大 于 #$ 淀 积 供 给的 量 ! 考 虑 到 质 量 守 恒 ， 我 们 认 为 #$ 岛 下 面 平 的%&#$ 层 也 参 与 了 岛 的 形 成 ， 并 为 岛 的 体 积 和 密 度 增 加作 出 了 贡 献 ! 假 设 岛 消 耗 的 %&#$ 层 的 生 长 是 通 过 表面 的 质 量 迁 移 来 完 成 的 ， 那 么 可 以 设 想 这 样 的 #$ 岛是 拥 有 一 个 纯 #$ 的 内 核 和 一 个 %&#$ 的 包 层
11、! 这 即 是所 谓 的 “ 自 覆 盖 效 应 ” （ 1$234$56$77&89）（ 图 :） !图 , ( 岛 在 $( 应 变 层 上 生 长 时发 生 的 自 覆 盖 效 应 的 示 意 图（ ;） %&#$ 迁 移 状 态 ； （ 6） %&#$ 已 完 成 自 覆 盖 效 应自 覆 盖 效 应 并 不 仅 限 于 %&#$， ?!- 多 层 ( 量 子 点 的 结 构 分 析通 过 %) 模 式 自 组 装 生 长 方 法 得 到 的 量 子 点 ， 尽管 不 需 要 任 何 掩 膜 图 形 就 能 得 到 尺 寸 较 均 匀 的 纳 米 结构 ， 但 是 在 实 际 应 用
12、中 往 往 需 要 尺 寸 分 布 更 集 中 的 量子 点 阵 列 ! 自 组 装 量 子 点 的 另 外 一 个 缺 点 是 由 于 成 核位 置 的 随 机 性 导 致 的 量 子 点 空 间 分 布 的 无 序 性 ! 解 决这 些 问 题 最 常 用 的 方 法 是 将 量 子 点 生 长 为 多 层 结 构 ，每 层 之 间 用 衬 底 材 料 隔 开 ! 如 果 间 隔 层 的 厚 度 选 择 合适 ， 在 多 层 结 构 重 复 一 定 数 目 后 ， 岛 的 尺 寸 和 空 间 分布 的 均 匀 性 会 显 著 提 高 ! 多 层 岛 结 构 的 最 显 著 特 征是 ： 当
13、 间 隔 层 厚 度 不 是 特 别 厚 时 ， 岛 在 生 长 方 向 上 垂直 排 列 ， 形 成 岛 列 -， (! 这 种 垂 直 方 向 上 的 耦 合 在多 种 材 料 体 系 中 被 观 察 到 ， 包 括 =8.1#:;6=?:;( A.(;+(?:?(.+： 8;9?6 BC/)6=D)E .6D#6.(#6D! F(;:.=#6D+ ;G BHHH， 011%， ,4（ I） ： &30I H)D9.+A) J 7， . )9! J#+9;:)#;6#:#:(;+:;EN #6*.+#D)#;6 ;G A. G;()#;6)6= .*;9?#;6 ;G -. #+9)6=+
14、 ;6 -.T#0 =;+ G;(.= ;6B6S9S+ M.#6D 9)N.(! 7 8(N+ -(;MA， %440， %I： I0, UA)6D V 8， . )9! (?:?(. )6= EA;9?#6.+:.6:. +?=N ;G B6-)S+ W?)6?=;+ ;6 B6S9S+ M.#6D 9)N.(! 8A#6 FAN+ P.， %440， 0,： 0I001 Q?)6D 8 7， . )9! X6+ #6?9#9)N.( +(?:?(.! 7 8(N+ -(;MA， %440， %5： 1104 黄 昌 俊 ， 等 ! 自 组 装 生 长 多 层 -. 岛 的 结 构 分 析
15、 ! 见 ： 第 3 届 全 国固 体 薄 膜 学 术 会 议 ， 中 国 电 子 学 会 论 文 集 ! 广 西 北 海 ， %444! 02200 Q?)6D 8 7， . )9! $/9#W?. )9#D6.6 ;G :;9?6+ ;G +.9G?9#9)N.( +(?:?(.! SEE9 FAN+ P.， %444， 33（ 0,） ： %,&%0% Q?)6D 8 7， . )9! J#GG.(.6 ()6+G.( E)A+ G;( A.()99N ):#*).= .9.:(;6+)6= A;9.+ #6 +.9G?9#9)N.( +(?:?(.!SEE9 FAN+ P.， %440， 3,（ 0I） ： %44205 Q?)6D 8 7， . )9! $E#:)9 :A)():.(#Y)#;6 ;G A. -.R#（ 440） #+9)6=+ #6?9#9)N.( +(?:?(.! F(;: FBH， %440， I&,4： %4%0I Q?)6D 8 7， . )9! Z)6;G)/(#:)#;6 ;G D(#=E).(6.= +?/+(). /N A;9;D()EA#: 9#A;D()EAN! 7 8(N+ -(;MA， %44%， %52： 0I055第 ! 卷 第 ! 期
