毕业设计（论文）蓝宝石衬底上aln薄膜和gan ingan量子点的mocvd生长分析.pdf

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。（请在以上方框内打y”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月日 日期：年 月 日华中科 技大学 博士学 位论文摘要紫外波段的AlGa N发光器件对于白光照明、空气和水的净化、消毒杀菌、高密 度存储等领域意义重大，因此对AlGa N发光器件的研究成为当下人们关注的焦点。目前生长AlGa N材料普遍使用的衬底是蓝宝石，材料中的穿透位错通常在 10Q10%m-2量级，这严重影响着AlGa N基发光器件的量子效率。经过多年的探索,现在普遍认为的一个解决方案是在蓝宝石衬底上制备高质量的A1N薄膜作为AlGa N 器件的模板，在此模板上可以获得高质量无裂纹的AlGa N材料。因此，如何在蓝宝 石衬底上制备高质量的A1N模板已经成为AlGa N器件发展的关键一步。目前，由于 量子点的独特性能，研究者发现通过在有源区中引入量子点的途径也可以提高器件 的量子效率。量子点的尺寸接近于电子的波尔半径，电子的运动被限制在量子点内 部，因此载流子的复合概率变大。量子点所表现出的各种量子特性和光学非线性，无论是在基本物理方面还是在器件应用方面（包括激光器、单光子光源和量子计算 等）都有巨大的研究价值。本论文的第一部分工作详细介绍了金属有机物化学气相沉积（MOCVD）生长 A1N模板的研究。首先采用低温成核层技术和脉冲原子层外延（PALE）技术相结合 的方法生长A1N材料,讨论了影响A1N晶体质量和表面形貌的各种因素,研究了生 长条件对于生长模式影响的根本原因，从而解决A1N生长中所面临的难题。文中主 要研究了衬底表面处理工艺、低温成核层工艺（包括生长温度、厚度以及V/I I I）和 PALE生长工艺（包括生长温度、V/I I I和生长速率）对于A1N材料的影响。我们发 现衬底在不同的处理工艺下，A1N和衬底之间的失配应力的释放机制有所不同。通 过氮化处理，可以有效提高晶体的取向性并获得A1极性的A1N材料。通过低温成核 层工艺的研究，我们获得了（002）面摇摆曲线半高宽（F WHM）为63a rcsec,（102）面半高宽为U06a rcsec的样品，其表面完全愈合，没有发现坑（pits）的存在。在成 核层的基础上通过PALE A1N层的生长研究，我们获得了表面无裂纹厚度达636n m 的A1N外延层。在本论文的第二部分工作，主要介绍了量子点生长的研究工作。首先，在A1N 模板上研究了 Ga N量子点的生长工艺。试验中分别采用了 S-K（Stra n ski-Kra sta n o v）华中科 技大学 博士学 位论文生长模式和Ga dro plets epita xy的方法制备Ga N量子点。在S-K生长模式中，研究了 生长时间、反应物流量、生长压强和生长温度对Ga N量子点形貌的影响。虽然由于 生长速率太高无法获得Ga N量子点，但实验结果表明如果生长厚度能够精确控制的 话，通过生长工艺的优化可以在S-K模式下获得Ga N量子点。在Ga dro plets epita xy 方法制备Ga N量子点过程中，则讨论了各步生长工艺对于量子点的影响，初步实现 了控制Ga N量子点尺寸、密度和质量的生长条件。量子点横向尺寸在100n m以内，纵向尺寸在10n m以内,密度在108cm到10Wm-2量级间可控,并在310n m处观测 到光致发光（PL）峰。然后在Ga dro plets epita xy方法形成的Ga N量子点的基础上,研究了量子点ca pla yer的生长工艺，在合适的生长条件下获得了表面平整的A1N ca pla yer0最后,在P-Ga N模板上通过Ga dro plets epita xy的方法实现了 Ga N量子点 的制备，并研究其生长工艺对于量子点形貌的影响。然后，我们在Ga N模板上通过S-K方法制备了 I n Ga N量子点，试验中通过生长 温度、生长速率和I n组分等因素控制I n Ga N量子点的尺寸和密度,获得了横向尺寸 在20-80n m,纵向尺寸在2-15n m,密度在量级的I n Ga N量子点。关键词：金属有机物化学气相沉积 AI N Ga N量子点I n Ga N量子点II华中科 技大学 博士学 位论文Abstra ctAlGa N ba sed emittin g devices h a ve been a ttra ctin g co n sidera ble a tten tio n beca use o f its sign ifica n t a pplica tio n in th e ultra vio let field such a s wh ite ligh t illumin a tio n,a ir a n d wa ter purifica tio n,steriliza tio n,h igh-den sity sto ra ge.Th e co mmo n substra te fo r gro win g AlGa N ma teria ls is sa pph ire.Th e qua n tum efficien cy o f AlGa N ba sed emittin g devices is sign ifica n tly a ffected by th e h igh den sity o f dislo ca tio n like 1010-1012cm_2 in ma teria ls gro win g o n sa pph ire substra tes.After yea rs o f explo ra tio n,o n e o f th e reco gn ized so lutio n s is gro win g h igh qua lity AI N templa tes fo r AlGa N devices o n sa pph ire substra tes.Th ick AlGa N films with o ut cra ck ca n be o bta in ed o n th ese AI N templa tes.Gro win g h igh qua lity AI N templa tes o n sa pph ire substra tes h a s been a key step fo r AlGa N devices.I n n o wa da ys,resea rch ers a re in sertin g qua n tum do ts in to th e a ctive la yer o f AlGa N devices to in crea se th e qua n tum efficien cy due to its specific perfo rma n ce.Th e sca le o f qua n tum do ts is rela ted to Bo h r ra dius o f th e electro n,th e mo vemen t o f electro n s is co n fin ed in qua n tum do ts,a n d th e reco mbin a tio n prlbility o f ca rrier in crea ses.Th e in vestiga tio n o f gro win g qua n tum do ts is va lua ble in bo th ba sic ph ysics resea rch a n d device a pplica tio n s(in clude la sers,sin gle o ptica l so urces,qua n tum ca lcula tio n).Th e first pa rt o f th is disserta tio n describes th e in vestiga tio n o f AI N templa tes via meta lo rga n ic ch emica l va po r depo sitio n(MOCVD)in deta il.A co mbin ed gro wth tech n ica l,a lo w tempera ture n uclea tio n la yer a n d pulsed a to m la yer epita xy(PALE),h a s been a pplied fo r gro win g AI N ma teria ls firstly.Th e effects o f gro wth co n ditio n s o n th e qua lity o f AI N films a n d a lso AI N gro wth mo de a re in vestiga ted to so lve th e pro blems in gro win g AI N films.Th e effects o f pretrea tmen t o f sa pph ire substra tes,lo w tempera ture n uclea tio n la yer gro wth co n ditio n s(in clude gro wth tempera ture,la yer th ickn ess,V/I I I),a n d PALE gro wth co n ditio n s(in clude gro wth tempera ture,V/I I I,a n d gro wth ra te)o n AI N films a re ma in ly studied.With differen t pretrea tmen t co n ditio n s,differen t stra in rela xa tio n mech a n isms in duced by th e la ttice misma tch o f AI N a n d sa pph ire a re o bserved.Th e n itrida tio n pretrea tmen t elimin a tes th e miso rien ted crysta ls a n d th e resulted AI N is Al-fa ce.By o ptimizin g th e gro wth co n ditio n s o f AI N films,sa mples with(002)full width o f h a lf ma ximum(F WHM)o f 52a rcsec a n d(102)F WHM o f 1106a rcsec a re o bta in ed.Th e sa mples a re co a lescen ce co mpletely with o ut a n y pits.Ba sed o n th e n uclea tio n la yer,a3华中科 技大学 博士学 位论文636n m th ick AI N la yer with o ut cra cks is o bta in ed th ro ugh PALE gro wth tech n ica l.Th e seco n d pa rt o f th is disserta tio n describes th e in vestiga tio n o f gro win g qua n tum do ts.Th e gro wth o f Ga N qua n tum do ts o n AI N templa tes is in vestiga ted firstly.Th e gro wth meth o ds o f Ga N qua n tum do ts in clude S-K(Stra n ski-Kra sta n o v)gro wth mo de a n d Ga dro plets epita xy.Th e effects o f th e gro wth co n ditio n such a s gro wth time,flux,rea cto r pressure,a n d gro wth tempera ture o n th e mo rph o lo gy o f Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted in S-K gro wth mo de.Ga N qua n tum do ts a re n o t a ch ieved durin g o ur experimen ts due to th e h igh gro wth ra te.Ho wever,th e results sh o w th a t Ga N qua n tum do ts co uld be rea lized by S-K gro wth mo de if th e gro wth th ickn ess o f Ga N qua n tum do ts co uld be co n tro lled.Durin g th e experimen ts o f Ga dro plets epita xy,th e effects o f ea ch gro wth pro cess o n th e Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted.Ba sed o n th e experimen ts,th e size,den sity,a n d qua lity o f Ga N qua n tum do ts a re co n tro lled by th e gro wth co n ditio n s.Th e h o rizo n ta l a n d vertica l size o f qua n tum do ts a re less th a n lOOn m a n d lOn m with a den sity va ried between 108cm2 a n d 1010cm 2.An emissio n pea k a t 310n m is o bserved in PL spectrum.Th en,th e gro wth co n ditio n s o f ca p la yer a re in vestiga ted o n Ga dro plets epita xy qua n tum do ts.Sa mples with fla t AI N ca p la yer a re o bta in ed un der o ptima l co n ditio n s.Ga N qua n tum do ts a re a lso gro wn o n P-Ga N templa tes th ro ugh Ga dro plets epita xy.Th e effects o f gro wth co n ditio n s o n th e mo rph o lo gy o f Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted.At la st,th e gro wth o f I n Ga N qua n tum do ts o n Ga N templa tes is in vestiga ted via S-K gro wth mo de.Th e size a n d den sity o f I n Ga N qua n tum do ts a re co n tro lled by th e gro wth co n ditio n s such a s gro wth tempera ture,gro wth ra te,a n d I n co n ten t.I n Ga N qua n tum do ts with 20-80n m wide,2-15n m h igh,a n d den sity o f 1010cm-2 a re o bta in ed.Key words:MOCVD AI N Ga N qua n tum do ts I n Ga N qua n tum do ts4华中科 技大学 博士学 位论文目录摘要.(I)Abstra ct.(I I I)1绪论L1A1N薄膜及Ga N、I n Ga N量子点的研究意义.(1)1.2 氮化物的基本性质介绍.(5)1.3 量子点的相关理论介绍.(7)1.4 本论文的研究内容.(11)1.5 本论文的创新性工作.(12)2 MOCVD外延生长技术介绍2.1 MOCVD生长氮化物的基础理论.(14)2.2 MOCVD中生长模式的介绍.(18)2.3 材料生长面临的挑战.(20)2.4 本章小结.(20)3 A1N薄膜的MOCVD生长研究3.1 A1N材料生长的发展历史.(21)3.2 A1N的生长结构.(23)3.3 衬底表面处理工艺的研究.(24)3.4 低温A1N成核层生长工艺的研究.(29)3.5 PALE A1N生长工艺的研究.(38)3.6 本章小结.(48)4 Ga N量子点的MOCVD生长研究4.1 Ga N量子点的研究现状.(49)4.2 A1N模板上S-K模式生长Ga N量子点工艺的研究.(51)5华中科 技大学 博士学 位论文4.3 A1N模板上dro plets epita xy方法生长Ga N量子点工艺的研究(56)4.4 Ca pla yer生长工艺的研究.(72)4.5 P-Ga N上dro plets epita xy方法生长Ga N量子点工艺的研究(82)4.6 本章小结.(86)5 I n Ga N量子点的MOCVD生长研究5.1 I n Ga N量子点的研究现状.(88)5.2 Ga N模板生长工艺的研究.(88)5.3 Ga N模板上S-K模式生长I n Ga N量子点工艺的研究.(90)5.4 本章小结.(95)6总结与展望6.1 总结.(96)6.2 展望.(98)致谢.(99)参考文献.(101)附录1攻读博士学位期间发表及待发表论文目录.(112)6华中科 技大学 博士学 位论文1绪论1.1 AI N薄膜及Ga N、I n Ga N量子点的研究意义氮化物是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，氮化物的研究与应 用是目前全球半导体研究的热点。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温 大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。相对于Ga As材料的发展，Ga N材料的发展却不是一帆风顺。1969年，Ma ruska和Tietjen首次用氢化物气相外 延法（HVPE）制备出Ga N单晶膜,由于无法寻找到匹配Ga N晶格常数的衬底，Ga N 材料的发展一直受到晶体质量太差的限制。上个世纪80年代,日本科学家Ama n o 在一次偶然的实验意外中制备出了高质量的Ga N薄膜叫这就是我们后来普遍使用 的两步法生长技术：先在蓝宝石衬底上生长低温成核层，然后在低温成核层的基础 上生长高温Ga N薄膜。通过这种方法获得的Ga N薄膜的晶体质量和表面形貌有了质 的飞跃。随后在1989年,Ama n o等人对掺Mg的Ga N进行低能电子束照射（LEEBI）后工艺处理，首次获得了 P型Ga N,其空穴浓度为1017cm，量级,解决了阻碍氮化 物发展的另一个难题。氮化物作为直接带隙半导体，同时具有较大的禁带宽度，通 过调节材料中各组分的比例禁带宽度可以在2.0ev到6.2ev之间变化,覆盖了从红外 到深紫外的波段范围。自从氮化物制备技术取得突破，氮化物犹如雨后春笋般蓬勃 发展，促进紫外/蓝光/绿光/白光发光二极管（LED）或者激光二极管（LD）等相关 器件的研究与商业应用迅速开展起来。配合上已经成熟应用的AlGa ln P基的红光和 黄光LED,从此半导体光源可以完整覆盖可视范围的色谱。目前，蓝光波段的I n Ga N LED已经商业化，主要应用在照明、信号指示等方面。紫外波段的AlGa N光电器件则另有其用，包括白光照明、空气和水的净化、消毒杀 菌、高密度存储等方面。这些应用在未来具有广阔的市场前景，因此AlGa N光电器 件的研究成为当下人们关注的焦点。无论是在I n Ga N光电器件还是在AlGa N光电器 件的发展中，都遇到了由于缺少同质衬底而带来的高密度缺陷的问题。目前普遍使 用的衬底是蓝宝石，在I n Ga N材料中穿透位错通常在108cm“的量级，而AlGa N材 华中科 技大学 博士学 位论文料则要更高，通常在10Q10%m-2量级。近来的研究发现在I n Ga N材料的生长过程 中会形成合金聚集的现象，这些聚集的合金团可以束缚载流子，防止载流子在位错 处发生非辐射复合，这也就是I n Ga N光电器件在拥有如此高的缺陷密度的同时还能 有高的量子效率的秘密。然而，在AlGa N材料的生长过程中却没有合金聚集的现象，必然导致AlGa N基紫外光电器件量子效率低下，这严重制约了 AlGa N基紫外光电器 件的进一步发展。随着技术的进步，研究人员想到生长很厚的AlGa N模板可能会提 高AlGa N材料的晶体质量，然而由于目前使用的商用衬底蓝宝石与AlGa N材料之间 存在巨大的晶格失配，随着AlGa N薄膜厚度的增加，薄膜内部应力会不断变大甚至 导致材料出现裂纹。经过多年的探索，现在普遍认为的一个解决方案是在蓝宝石衬 底上制备高质量的A1N薄膜作为AlGa N器件的模板，在此模板上可以获得高质量无 裂纹的AlGa N材料。同时,采用A1N材料作为AlGa N器件的模板可以降低模板材 料对出光的吸收，进一步提高器件的量子效率。因此，如何在蓝宝石衬底上制备高 质量的A1N模板已经成为AlGa N器件发展的关键一步。同时,A1N材料以良好的绝 缘性和高的热稳定性著称，这就是为什么A1N基器件可以在极端条件下工作的原因。目前，对于A1N的研究已经成为人们关注的焦点。前面提到，在蓝宝石上生长高质量的A1N模板可以获得高质量的AlGa N材料，从而提高AlGa N基紫外光电器件的量子效率。研究者发现通过在有源区中引入量子 点的方法也可以提高器件的量子效率。研究表明,I n Ga N LED高的量子效率效率也 与量子点的相关。影响LED量子效率的一个重要因素是缺陷浓度的高低，这些缺陷 在器件工作过程中作为非辐射复合中心存在。尤其是在AlGa N LED中，由于无法寻 找到匹配的衬底，材料的晶体质量问题一直无法得到完美的解答，人们只能通过各 种生长工艺的优化来提高材料的晶体质量从而提升AlGa N LED的量子效率。最初的 LED或者LD采用异质结结构，在异质结结构中,两种材料的禁带相互重叠。由于 没有有效的将载流子束缚在有源区内,通常这种结构的LED或者LD的内量子效率 比较低。假设通过外延技术制备一种三明治结构的材料，材料A被夹在材料B中，而且材料A的导带底和价带顶都位于材料B的禁带之中，当材料A在生长方向上的 尺寸足够小时，接近于或者小于电子的波尔半径，我们称这种结构为量子阱。由于 2华中科 技大学 博士学 位论文材料A在生长方向上的尺度接近于或小于电子的波尔半径，载流子在生长方向上的 运动受到限制，而在横向平面上的运动不受限制，这是典型的低维材料。随着外延 技术的发展，LED、LD在有源区引入了量子阱的结构。沿着生长方向，载流子被束 缚在阱区内，电子空穴复合的几率变大,可以明显提高LED或者LD的内量子效率。我们可以继续降低材料的维度，载流子的运动在两个方向上的运动受到限制，这就 是我们常说的纳米线。通过现在的外延、光刻等技术，我们已经可以制备载流子在 三个方向上运动受到限制的微纳结构，也就是我们说的零维材料一量子点。一旦载 流子被束缚，很难逃离出量子点的范围，在提高载流子复合概率的同时也减少了非 辐射复合的影响。图1-1量子阱结构中量子斯塔克效应示意图，图中灰色部分分别表示电子和空穴的波函数在氮化物LED中引入量子点还有其它一些优异的性能。氮化物是典型的铅锌矿 结构，三五族元素沿着（0001）方向堆叠排列，阳离子和阴离子交替占据晶格，因 此氮化物在（0001）方向上存在很强的极化效应。在氮化物的生长中，我们通常选 择C面作为其生长面，这时极化效应通常包括自发极化和压电极化。在异质衬底上 特别是硅衬底上外延获得的氮化物薄膜通常存在很大的应力，由此产生的压电极化 很强，会严重影响到器件的性能。据报道，由极化效应产生的内建电场会降低有源 区电子空穴波函数的重叠度，从而降低电子空穴复合的效率，这就是所谓的量子斯 塔克效应，如图1-1所示。这些极化电场在改变材料内部电子空穴的分布状态的同 3华中科 技大学 博士学 位论文时，材料的能带结构也发生了变化，从而材料的禁带宽度也产生了相应的改变。通 常极化电场会导致氮化物的禁带宽度变窄。引入量子点可以有效束缚载流子，同时 可以提高电子空穴波函数的重叠度，从而提高载流子的复合效率。而且量子点材料 相对于体材料的禁带宽度会蓝移，因此在浅紫外的区域也可以采用Ga N量子点材料 来替代AlGa N材料。相比于异质结或者量子阱LD,如果在LD中采用量子点作为有源区，同样会有 许多意想不到的优越性能。Y.Ara ka wa,Ma sa h iro Asa da等人研究发现采用量子点的激 光器具有低的阈值电流密度、低的阈值电压、高的增益以及可靠的温度稳定性。这 些优异性能都归功于量子点特殊的态密度分布。量子点在各个方向的尺寸都接近于 电子的波尔半径，在量子点内部，电子和空穴的运动在三维方向都受到限制，导致 载流子的态密度分布呈现8函数分布。态密度分布不再连续，电子只能在有限确定 的能级间跃迁辐射，那么载流子的非辐射复合就会被削弱，从而带来了高的增益等 性能。特别是在温度稳定性方面，量子点LD的电流密度与器件温度之间没有直接关 系。前面提到了量子点可以为LED和LD带来一些优异的性能。其实,由于量子点 的特殊性质，它还在其他方面具有特殊的应用，例如单光子光源、量子计算。半导 体量子点的尺寸和电子的波尔半径相比拟，能带呈现分离能级，因此量子点具有单 一独立的量子系统，可以起到单光子光源的作用。单光子光源作为量子光源的一种，对于研究量子通信意义重大。量子计算机中，计算的基本信息单位叫量子比特，量 子比特用一个具有有限能级的量子系统来描述。半导体量子点是一种具有很强应用 背景的固态量子比特体系。半导体量子点是一种人造半导体材料，一个量子点中包 含有103io 9个原子，能提供百万量位元的量子比特，是目前比较具有实用前景的量 子比特系统。2001年,Stieva ter等人在单量子比特半导体量子点系统中观测到了粒 子数在两个能级上的振荡，即Ra bi振荡叽 同时，L.J.Sh a m等人从理论上给出了两 个量子比特Deutsch-Jo zsa运算在四能级半导体量子点系统中的实现方案以2003年,X.Li等人采用线偏振光，在四能级半导体量子点系统中实现了量子逻辑门曳Ga N量子点的尺寸小于100n m,个量子点中包含有1()31()9个原子，被称为人 4华中科 技大学 博士学 位论文造原子，与单个原子具有类似的性质。量子点的尺寸接近于电子的波尔半径，电子 在量子点内部的运动受到限制，呈现分裂能级结构，表现出各种量子特性和光学非 线性，无论是在基本物理方面还是在器件应用方面都有巨大的研究价值。1.2 氮化物的基本性质介绍上个世纪70年代初，当人们意识到氮化物可作为可见和紫外光电器件的理想材 料时，人们才开始着手研究氮化物的性质。1971年，Din gle等人第一次报到了 2K 下Ga N材料的受激辐射发光。但是,由于无法成功进行P型掺杂导致氮化物的发 展经历了一段漫长的时期。紧随着80年代,外延时在蓝宝石和Ga N之间引入A1N 成核层技术极大的改善了 Ga N薄膜的质量电汽随后，Ama n o和Aka sa ki通过Mg第 一次实现了 Ga N的P型掺杂,为第一支P-N LED的诞生奠定了坚实的基础。1.2.1 晶体结构氮化物包括AI N、Ga N.I n N及其合金，其晶体结构分为两种：铅锌矿结构（a 相）和闪锌矿结构（B相力这两种晶体结构的区别在于原子的堆叠顺序不同：铅锌 矿Ga N沿着0001方向以.ABAB的方式排列；闪锌矿Ga N沿着111方向 以.ABCABC的方式排歹I，如图1-2所示。在两种晶胞结构中,每个原子与周围 原子形成四面体的结构。铅锌矿 小闪锌矿图1-2 Ga N的铅锌矿和闪锌矿结构示意图对于氮化物来说，铅锌矿结构的晶体热稳定性更高。其布拉格点阵由两个沿着 0001方向相互错开3/8晶格常数的六角结构组成，相应的点阵空间为P63mc（C46V 5华中科 技大学 博士学 位论文沿着0001方向,晶胞中三族原子位于（2/3,1/3,0）处，而N原子位于（2/3,1/3,u）处。参数u是三五族元素键长与晶格常数C的比值。对于一个理想的铅锌矿晶体，每个原子之间的键长都相同,u为理论值3/8。A1N和Ga N材料的晶格常数a,c分 别为0.311n m,0.498n m和0.316n m,0.529n mo相反，闪锌矿的布拉格点阵由两个面心立方晶胞构成，第二个面心立方相对于 第一个沿着方向偏移1/4的面间距。对应的点阵空间是F-43m（T2dl A1N和 Ga N的晶格常数分别为0.438n m和0.452由1叫1.2.2 极性铅锌矿结构的材料没有对称中心，因此我们称其为极性材料。因为没有相应的 对称中心，0001方向和000-1方向不再等同,必须区别对待。一般将三族金属原子（A1或者Ga）指向N原子的方向定义为0001方向,即C轴叫根据这个定义,当 生长方向沿着0001方向，最后获得的是Ga极性（Ga面）的材料，相反如果生长方 向与0001方向相反，通常获得N极性（N面）的材料,如图1-3所示。（a）N极性(b)Ga极性图1-3 N极性和Ga极性的Ga N原子排列结构示意图极性与材料的表面形貌及其他性质相关，因此极性是材料外延生长的一个关键 参数。研究材料极性的通常方法是汇聚电子束衍射（CBED）。1.2.3 衬底氮化物的外延通常都是异质外延，目前的商用衬底包括蓝宝石衬底（A12O3）,SiC衬底和Si衬底。外延时首先需要在衬底表面生长一层A1N或者Ga N成核层。虽然蓝宝石已经成为LDs和LEDs最常用的衬底，但是它并不是外延A1N和6华中科 技大学 博士学 位论文Ga N的最佳衬底。蓝宝石衬底最大的一个优点是制造成本低，产量大。在外延过程 中，A1N（或者Ga N）与蓝宝石衬底的C轴保持一致，其他两个坐标轴相应旋转30。因此,Ga N,A1N 与监玉石之间的晶格失配关系为：（6%,川,AIN）一apphire）/sapphire，分别为16.1%和13.3%。文献13中详细描述了三族氮化物与蓝宝石衬底之间的晶格 取向对应关系。相对于蓝宝石，SiC衬底与氮化物之间的晶格失配和热失配很小。另 外，SiC具有很好的导热性和导电性。不过相对于蓝宝石衬底，SiC衬底价格昂贵，而且SiC晶圆的质量有待提信）。相对而言，硅衬底具有低成本，大尺寸的优点。不过晶格失配和热失配要大于 蓝宝石，导致硅上外延Ga N会遇到外延片龟裂的问题。不过为了实现硅基电路与三 五族光电子器件的集成，光电子器件需要直接生长在硅芯片上。为了节省成本，目 前人们正在研究解决光电子器件与硅基电路集成的难题。1.3 量子点的相关理论介绍前面提到了量子点具有很多体材料没有的特殊性质，这一节我们从理论上给出 相应的解释。量子点的三维尺寸都小于或接近于材料中电子的波尔半径，而且其尺 寸可控，因此受到研究人员的广泛关注。量子点独特的光电性质主要来源于以下两 个方面：对载流子的量子束缚效应和高的比表面积。量子点通常被称为零维材料，其性质介于单原子系统和体材料系统之间。通过 分析单原子转变到体材料的过程，我们可以深入理解这些系统的物理本质。列如一 个硅原子，它的最外层拥有4个电子，分别位于3S2和3P2轨道。根据泡利不相容 原理，在同一时间一个量子态最多只能有两个电子占据。这意味着硅原子外层仍然 可以容纳4个电子。如果这个硅原子与另外四个硅原子成键，这些未被填充的量子 态会重新被电子占据。尽管如此，五个硅原子的系统拥有20个价电子。为了容纳这 20个电子又不违背泡利不相容原理，这些价态能级必须分裂成10个不同的能级。如 果系统中原子的数量越来越多，由于大量的成对电子，系统中必须拥有大量的不同 能级。在体材料中拥有天文数字般的原子数量，因此相邻能级间的差值非常小以至 于我们认为这些能级是连续变化的。由于泡利不相容原理，单个原子的分离能级逐 7华中科 技大学 博士学 位论文渐演变成体材料的连续能级。那么这些与轨道的关系何在？在每个原子外层，S轨道 和P轨道融合成SP3杂化轨道。相邻的SP3杂化轨道彼此吸引形成正反两个成键轨 道。随着原子数量的增加，这些正反成键轨道线性叠加在一起就分别形成了价带和 导带结构。由此，一个单原子系统转变为一个体材料系统，如图1-4所示。反过来看,从体材料系统变化到一个只拥有少数原子的系统，能级变得分离，相邻能级间的差 值变大。图1-4晶体材料的能级演变过程示意图半导体量子点内拥有10到数千个原子。通常我们用一个简单的pa rticle in a bo x 的模型来描述量子点，这盒子在三维方向受到限制。通常，按照载流子被束缚的维 度可以将材料分为四类。在体材料中，载流子能够在三个方向上自由运动。在量子 阱中载流子的运动在一个方向上受到限制，纳米线中两个方向受到限制，最终量子 点中三个运动方向都受到限制。如图1-5所示，四种材料体系的态密度分布。从图中 可以看出，体材料能级连续分布，量子阱以台阶状分布，纳米线成楔形分布，量子 点为8分布。Pa rticle in a bo x的模型理解起来很简单。先从一个尺寸在所有方向 上都无限大的盒子开始，即体材料。然后，这个盒子的三维尺寸逐渐减小直至刚好 能够束缚电子或者空穴。这个刚好能够束缚电子或者空穴的尺寸与材料自身相关，各不相同，被称为波尔半径。在这个盒子中，电子和空穴的运动不再自由。接下来 从理论上面来分析量子点的性质。8华中科 技大学 博士学 位论文图1-5(a)体材料；(b)量子阱；(c)纳米线；(d)量子点的态密度分布示意图在体材料中，电子的状态通过薛定娉方程求解：方+=-V2+V(r)T(r)=ET(r)(1-1)式中方是哈密顿量，表示波函数，V(r)是一个具有周期性的势能函数V(r)=V(r+R),通过求解获得能量值为：E=(1-2)2m其中k是波矢量，m是电子或者空穴的有效质量。为了进一步了解半导体的光学响应,通常用态密度来描述能量。态密度用来描述在能量E和E+dE之间能级的数量，如下式所示