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1、半导体深能级瞬态谱研究半导体深能级瞬态谱研究Studies of DLTS for semiconductorsZnSe组织量子点基态电子能量的确定组织量子点基态电子能量的确定Electron ground state energy level determination of ZnSe seff-organized quantum dots embedded in ZnS 本工作特点是应用本工作特点是应用PLPL，C-VC-V和和DLTSDLTS技术评价技术评价MBEMBE生长生长ZnSeZnSe自组织量自组织量子点的光学和电学特性。其创新之处是将传统的子点的光学和电学特性。其创新之处是将传
2、统的DLTSDLTS技术应用于技术应用于ZnSeZnSe量子点结构，获得的量子点结构，获得的ZnSeZnSe量子点基态电子发射能（量子点基态电子发射能（ 120 meV120 meV）与光致）与光致发光热淬火模型得到的结果一致。该结果将发表在发光热淬火模型得到的结果一致。该结果将发表在20032003年年4 4月月1515日出日出版的美国版的美国Journal of Applied PhysicsJournal of Applied Physics。MBE生长生长n型型Al掺杂掺杂ZnS1-xTex的深电子态的深电子态Deep electron states in n-type Al-dope
3、d ZnS1-xTex grown by molecular beam epitaxy 本工作特点是应用本工作特点是应用PL ，C-V和和DLTS技术评价技术评价MBE生长生长n型型Al掺杂掺杂ZnS1-xTex 深电子态。研究结果表明深电子态。研究结果表明Al 掺杂掺杂 在在ZnS1-xTex中形成中形成E1（0.21eV)和和E2(0.39eV)电子陷阱电子陷阱,Te除了作为等电子中心外，还涉及除了作为等电子中心外，还涉及到电子陷阱（到电子陷阱（E3E3*E3*）的形成，其相对于导带的能级位置随）的形成，其相对于导带的能级位置随Te组份增加而减少。本工作创新之处是首次研究了组份增加而减少。
4、本工作创新之处是首次研究了MBE生长生长ZnSTe材料的材料的杂质和缺陷工程。为杂质和缺陷工程。为ZnS基可见光盲紫外探测器研究打下了良好的基础，基可见光盲紫外探测器研究打下了良好的基础，该结果发表在美国该结果发表在美国Journal of Applied Physics，82, 4412(1997)。图一图一室温下无室温下无Al和和Al掺杂掺杂ZnS0.977Te0.023的的PL谱。随着谱。随着Al浓度的增加，浓度的增加，PL峰强度减小，表明与峰强度减小，表明与Al有关的非辐有关的非辐射深中心形成。射深中心形成。图二图二Au/ZnS肖特基样品的肖特基样品的DLTS谱。谱。表明与表明与Al有
5、关的有关的E1（0.21eV）和和E2(0.39eV)电子陷阱生成。电子陷阱生成。图三图三Au/ ZnS0.983Te0.017肖特基样品的肖特基样品的DLTS谱。随谱。随Te的加入，除的加入，除E1和和E2外，还观察到与外，还观察到与Te有关的有关的E3（0.26eV）电子陷阱生成。）电子陷阱生成。图四图四Au/ ZnS0.96Te0.04肖特基样品的肖特基样品的DLTS谱。观察到与谱。观察到与Te有关的有关的E3*（0.24eV）能级位置随）能级位置随Te组份组份增加而变化（降低）。增加而变化（降低）。图五图五Au/ ZnS0.954Te0.046肖特基样品的肖特基样品的DLTS谱。随谱。
6、随Te组份再增加，与组份再增加，与Te有关的有关的E3*（0.21eV）能级位置进一步降低。）能级位置进一步降低。图一图一ZnSeZnSe量子点结构量子点结构在不同温在不同温度下的度下的PL谱谱图二图二PL强度与温度关系的强度与温度关系的 Arrhenius plot 图（利用两图（利用两步热淬火过程模拟获得步热淬火过程模拟获得Ea1=40 meV和和Ea2=130 meV）图三图三表观载流子浓度和反向偏表观载流子浓度和反向偏压与耗尽层深度关系。来压与耗尽层深度关系。来自于自于ZnSeZnSe量子点结构的电量子点结构的电子积累峰。子积累峰。图四图四反向偏压下量子点基态电子反向偏压下量子点基态电
7、子发射能变化示意图发射能变化示意图图五图五典型的典型的ZnSeZnSe量子点结构量子点结构的的 DLTS谱。当反偏为谱。当反偏为6.5V时，时， ZnSeZnSe量子点的电子发射峰出量子点的电子发射峰出现。现。 深能级瞬态谱（深能级瞬态谱（DLTS）是研究半导体材料和器件中深能级特性的重要测试方）是研究半导体材料和器件中深能级特性的重要测试方法。半导体低维结构的位能变化类似于半导体晶格中的深能级缺陷，可做为体材法。半导体低维结构的位能变化类似于半导体晶格中的深能级缺陷，可做为体材料中的料中的“大陷阱大陷阱”。因此将。因此将 传统的传统的DLTS技术应用于低维结构可确定其电子基态技术应用于低维结
8、构可确定其电子基态能量，拓宽了能量，拓宽了DLTS的应用范围。的应用范围。政督婿糟拥兽蚜崔辫交祷独其祥习痈羚摘烘否熬卿涸踊劣宜搁洼扬酮诞凿深能级瞬态谱深能级瞬态谱应变自组装量子线结构特征与生长条件关系研究应变自组装量子线结构特征与生长条件关系研究Relationship between the structural characteristics and the MBE growth conditions for self-assembled quantum wires 量量子子点点（QD）和和量量子子线线（QWR）的的MBE自自组组装装是是微微观观随随机机过过程程，这这使使QD和和QWR的的
9、结结构构在在原原子子尺尺度度上上是是不不均均匀匀的的。减减小小这这种种不不均均匀匀性性是是MBE生生长长QD和和QWR的的基基本本问问题题。优优化化MBE生生长长工工艺艺可可以以改改进进均均匀匀性性，但但是是其其效效果果是是相相当当有有限限的的。要要想想使使均均匀匀性性近近一一步步改改善善，必必须须了了解解原原子子微微观观过过程程与与生生长长条条件件的的关关系系。我我们们首首先先在在InAs/InAlAs/InP(001)体体系系中中制制备备和和观观察察到到空空间间斜斜向向排排列列QWR阵阵列列，并并对对其其结结构构特特征征与与生生长长条条件件的的关关系系进进行行研研究究，确确立立了了QWR的
10、的空空间间排排列列方方向向和和沿沿生生长长方方向向空空间间排排布布对对称称性性与与间间隔隔层层材材料料组组分分和和生生长长模模式式的的关关系系。通通过过这这些些关关系系的的研研究究，了了解解了了生生长长表表面面的的再再构构对对QWR自自组组装装微微观观过过程程和和QWR结结构构特特征征的的可可能能影影响响。这这些些工工作作发发布布在在Appl. Phys. Lett. 和和J. of Cryst. Growth以后，被多次引用。以后，被多次引用。 Investigation of the relationship is of essentially important between the
11、structural characteristics and the growth conditions in the fabrication of self-assembled quantum dots (QD) and wires (QWR). After fabricating the QWRs with the diagonal space alignment in the InAs/InAlAs/InP(001), we study the dependence of the structural characteristics of these QWRs on the growth
12、 conditions. We found that the space alignment of QWRs is related to the composition and structure of the spacer layer and that whether the QWR alignment is symmetrical or not about the 001 growth direction depends on the growth modes. Such a relationship between the symmetrical property in structur
13、e and the growth condition is ascribed to the influence of the reconstruction of the growing surface on the atomic diffusion during self-assembling of the wires.图图a和和 b是是 MBE多层量子线多层量子线TEM照片。层厚照片。层厚8 个原子单层的个原子单层的InAs分别生长在（分别生长在（001）和偏）和偏离（离（001）6度的度的InP衬底上。沿（衬底上。沿（001）生长的结构是对称的，而沿偏离（）生长的结构是对称的，而沿偏离（0
14、01）方向生长）方向生长的结构是非对称的。的结构是非对称的。Figures a and b are the TEM images of the MBE multilayer InAs QWRs on the InP(001) and on the substrate off-oriented (001) by 6 degrees, respectively. The InAs layer is 8 MLs in thickness. The structure on InP(001) is symmetrical about the growth direction, while the st
15、ructure on the substrate off (001) is unsymmetrical.图图c和和 d是是 InP（001）衬底上，）衬底上，MEE（Migration Enhanced Epitaxy）多层）多层InAs量子线，其量子线，其空间分布沿（空间分布沿（001）是非对称的。）是非对称的。InAs层厚分别是层厚分别是8个原子单层和个原子单层和10个原子单层。个原子单层。Figures c and d are the TEM images of the MEE multilayer InAs QWRs on the InP(001). The structure is
16、unsymmetrical about the (001) growth direction. The InAs layer is 8 MLs and 10 MLs in thickness, respectively.角供馈炕莆喉趟玻邢焦忌鞭盎蝗癌腆莉筐柬疑抵愉镍漳吴惠修吏局抄忘禾深能级瞬态谱深能级瞬态谱半导体表面性质的偏振反射差分谱研究 RDS setup，Aspnes, 1980s利用偏振差分反射谱(RDS)技术，可以测量出反射系数在样品平面内两个互相垂直方向上的细微差异: Dr/r=(rx-ry)/(rx+ry)。目前RDS多用于外延生长过程中的原位实时观测、表面重构、表面吸附等表面性
17、质研究。我们利用RDS技术对半导体Pockels效应、表面亚损伤、合金有序、离子注入及退火效应以及量子阱界面性质等开展了广泛的研究，得到了许多新结果。用RDS观察到了SI-GaAs样品极强的平面光学各向异性，并确定它来自于表面抛光过程引入的表面亚损伤，亚损伤在表面下0.8微米深度范围内，并从理论上解释了RDS的特征谱形。从RDS结果计算出各向异性应变(exy)大小为10-4量级。实验表明RDS非常适合用于GaAs 、InP和GaP等衬底材料表面亚损伤的无损检测，可用于有关材料产业的在线监测。J. Appl. Phys.88, 1695(2000)三组LT-GaAs样品表面势垒高度随退火温度的变
18、化，发现表面势垒高度（取决于费米能级在禁带中的位置）不是钉扎在某一个固定值上，表明材料的费米能级在禁带中位置没有完全钉扎在As沉淀上，其复杂变化与缺陷密切相关。我们提出了新的钉扎模型对此进行了解释。Surface potentials of three groups of LT-GaAs samples at different annealing temperatures.Studies of semiconductor surfaces by reflectance difference spectroscopy低温分子束生长GaAs中Fermi能级钉扎Dr/r：10-5Pinning o
19、f Fermi level in LT-GaAs室温下六个不同GaAs样品的RDS谱。n-GaAs和LT-GaAs样品的RDS信号都源于线性电光效应，SI-GaAs的信号与表面性质有关。我们证明LT-GaAs在3.0eV处的RDS信号正比于表面势垒高度。RD spectra measured at room temperature for six different GaAs samples SI-GaAs表面抛光引起的光学各向异性表面抛光引起的光学各向异性低温分子束生长GaAs（LT-GaAs）是一种具有特殊光电性质的GaAs材料，其Fermi能级可能由点缺陷或者As沉淀钉扎。可以通过研究表
20、面势垒高度来了解有关Fermi能级的信息。我们证明了：由于LT-GaAs的表面势垒区非常薄，可以从RDS信号直接计算LT-GaAs的表面势垒高度。通过研究不同退火温度、不同测量温度以及不同光照条件下LT-GaAs材料表面势垒高度的变化，我们对材料中Fermi能级的钉扎有了更深入的认识。Phys. Rev. B 55, R7379(1997)-Rapid Communications; Appl. Phys. Lett. 72, 1866(1998); J. Appl. Phys. 87(6), 2923(2000)研究工作得到国家自然科学基金项目和研究工作得到国家自然科学基金项目和国家重点基础
21、研究发展规划（国家重点基础研究发展规划（973）项目）项目的支持。的支持。Polishing-induced optical anisotropy in SI-GaAs wafers一个SI-GaAs抛光样品在不同腐蚀时间下的RDS信号，腐蚀速率为0.8 m/ min.。说明RDS信号来自于表面下0.8 m以内的区域，是由表面抛光过程产生的亚损伤引起的。RD spectra of one SI-GaAs sample at different etching times.闻里捕挞撒村爬胆锦示楔茬孪苗玩贪既宅墨加赘磅培兢馈巷贱梳嫁恐嘻惑深能级瞬态谱深能级瞬态谱半导体界面性质的偏振反射差分谱研究闪
22、锌矿结构半导体界面和量子阱的平面光学各向异性通过研究量子阱和异质结的平面光学各向异性来获取半导体界面化学键的组成、原子偏析、界面粗糙等界面信息！通过研究量子阱和异质结的平面光学各向异性来获取半导体界面化学键的组成、原子偏析、界面粗糙等界面信息！对于（001）闪锌矿结构半导体异质界面，由于（110）和（110）面内化学键是不同的，因此（001）界面在110和110方向上具有一定大小的光学各向异性（平面内光学各向异性）。对于理想对称的量子阱，两个界面的各向异性恰好互相抵消。对于实际生长的量子阱材料来说，量子阱前后界面在化学键的组成、原子偏析、界面粗糙程度等方面总是存在着一定程度上的差异，因此总是具
23、有一定大小的平面内光学各向异性！偏振差分反射谱：半导体界面性质研究的有力工具！RDS: a powerful tool for characterization of semiconductor interfacesIn-plane optical anisotropy of zinc-blend semiconductor interfaces and quantum wellsStudies of semiconductor interfaces by reflectance difference spectroscopy一个70nm InGaAs/GaAs量子阱的RDS结果，观察到了源于
24、In原子偏析的5个量子阱能级跃迁的各向异性。通过理论和实验对比研究，可以确定界面各向异性势参数的大小和In原子偏析程度。RD spectra of a 70 nm InGaAs/GaAs QW sample. Optical anisotropy of five transitions in the QW was observed with different signs and intensities. Phys. Rev. B 60, 1783(1999)Mater. Sci. and Engin. B 91-92, 62(2002)不同阱宽的 GaAs/Al0.36Ga0.64As样品的
25、RDS谱（a）和反射谱（b）。在反射谱中，1H1E和1L1E跃迁信号随阱宽变窄而变宽变小，但在RDS谱中，各向异性却是增强的！这直接表明各向异性来源于界面。进一步的理论计算证明RDS信号可能来源于单原子层界面有序结构。RD spectra (a) and reflectance spectra (b) of a series of GaAs/Al0.36Ga0.64As QW samples with different well width. Calculations show that the optical anisotropy probably come from the anisot
26、ropic interface structures with atomic height. Phys. Rev. B 66, 195321（2002）在GaAs/AlGaAs量子阱的一个界面上有意插入1ML的InAs，可显著增加量子阱的不对称性，使量子阱的各向异性增强近一个量级。因此，采用这种方法可人为控制量子阱平面光学各向异性的大小，这对于设计偏振相关的新型光电子器件（如偏振稳定或可控的VCSEL器件）是非常有意义的。Inserting 1ML InAs at the one interface of a 5 nm GaAs/AlGaAs QW can enhance the in-pla
27、ne optical anisotropy of the QW by nearly one order.量子阱的平面光学各向异性通常很弱，用常规的偏振光谱技术无法检测出来。利用可检测微弱光学各向异性的RDS技术，我们研究了GaAs/ AlGaAs、InGaAs/GaAs、InGaAs/InP和 GaNAs/GaAs量子阱材料以及SiO2/Si、ZnSe/GaAs异质结材料的平面光学各向异性，观察到了界面相关的信号，充分表明RDS是研究半导体界面性质的有力工具！研究工作得到国家自然科学基金项目和研究工作得到国家自然科学基金项目和国家重点基础研究发展规划（国家重点基础研究发展规划（973）项目）项目的支持。的支持。氟连浚贫乾皆脖戈凳戒煮蚜喂序顽希篆特苟逝琳撼色僧临谰芍湛川浆光念深能级瞬态谱深能级瞬态谱
