半导体纳米结构的可控生长

应用MBE技术和SK生长模式,通过对研究材料体系的应力分布设计,生长动力学研究和生长工艺优化,实现了In(Ga)As/GaAs,InAlAs/AlGaAs/GaAs和InAs/InAl(Ga)As/InP无缺陷量子点(线)的尺寸、形状、密度和分布有序性的可控生长,这对进一步的器件应用特别重要.讨论了半导体纳米结构的空间有序性分布物理起因和退火的机制.     

In原子在GaAs(001)表面的成核与扩散研究

近年来,半导体量子点特别是InAs量子点的基本物理性质和潜在应用得到了广泛研究。许多研究者利用InAs量子点结构的改变以调制其光电特性。本文采用液滴外延法在GaAs(001)表面沉积了不同沉积量的In(3 ML、4 ML、5 ML),以研究In的成核机制和表面扩散。实验发现,随着In沉积量的增加,液滴尺寸(包括直径、高度)明显增大。不仅如此,在相同的衬底温度下,沉积量越大,液滴密度越大。利用经典成核理论,计算了GaAs(001)表面In液滴形成的临界厚度为0.57 ML,计算的结果与已报道的实验一致。从In原子在表面的迁移和扩散,以及衬底中Ga和液滴中的In之间的原子互混原理解释了In液滴形成和形貌演化的机理。实验中得到的In液滴临界厚度以及In液滴在GaAs(001)上成核机理,可以为制备InAs量子点提供实验指导。     

分子束外延生长过程中GaAs(001)表面铝液滴的扩散成核过程

量子点的性质主要由其密度及尺寸参数控制,而原子在衬底上的成核运动又决定了量子点的密度、直径、高度等参数,因此研究原子的扩散成核过程对自组装制备量子点具有重要意义.本文通过分子束外延生长技术研究了GaAs(001)表面金属铝液滴的成核过程,发现衬底温度和金属铝沉积速率的变化直接影响了液滴的尺寸、密度以及形状等特征.根据经...     

Ga沉积量对形成AlGaAs表面纳米结构的影响

利用液滴外延技术在Al0.4Ga0.6As表面制备了纳米结构并用原子力显微镜进行表征,发现纳米结构的密度随金属Ga沉积量的增加呈先增加后减小再增加的趋势.这种密度异常变化的现象,主要是由于液滴之间相互扩散并最终形成连续的平坦层,随着沉积量的继续增加,新吸附的Ga原子在平坦层上面形成新的Ga液滴,从而导致了密度的降低.此外,纳米结构的孔深、孔径、环高和盘径几何特征尺寸随着沉积量的增加而增加,且在表面[1-10]和[110]两个方向上纳米结构中的量子环以及盘状结构的形貌特征呈现各向异性.     

生长温度对InAs/GaAs量子点太阳电池的影响研究

InAs/GaAs量子点的生长形貌和特性受不同生长环境和生长条件影响.本文借助光致发光光谱(PL)特性表征方法,通过实验生长,对比研究不同生长温度下获得的量子点性能,结合当前三结叠层GaInP/GaAs/C-e(2-terminal)电池存在的问题,以及该电池的设计、制作要求,分析了InAs量子点的不同生长温度对于具有量子点结构的中电池吸收的影响.     

固态源MBE系统生长高质量的调制掺杂GaAs结构材料和InP/InP外延材料的兼容性研究

通过固态源的分子束外延系统生长了调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和InP/InP外延材料.在生长含磷材料之后,生长条件(真空状态)变差;我们通过采取合理的工艺方法和生长工艺条件的优化,获得了电子迁移率为1.86×105cm2/Vs(77K)调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和电子迁移率为2.09×105cm2/Vs(77K)δ-Si掺杂AlGaAs/GaAs结构材料.InP/InP材料的电子迁移率为4.57×104 cm2/Vs(77K),该数值是目前国际报道最高迁移率值和最低的电子浓度的InP外延材料.成功地实现了在一个固态源分子束外延设备交替生长高质量的调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和含磷材料.     

半导体单量子点的分子束外延生长及调控

Ⅲ-Ⅴ化合物半导体外延单量子点具有类原子的分立能级结构，能够按需产生单光子和纠缠多光子态，而且可以直接与成熟的集成光子技术结合，因此被认为是制备高品质固态量子光源、构建可扩展性量子网络最有潜力的固态量子体系之一。本综述的重点是介绍高品质单量子点的分子束外延生长及精确调控的方法。首先介绍了晶圆级均匀单量子点的分子束外延生长，并探讨了调控浸润层态和量子点对称性的生长方法；接下来概述了利用应变层调控量子点发射波长的方法，总结了几种常见的电调控单个量子点器件的设计原理；最后讨论了最近为实现优异量子点光源而开发的液滴外延生长技术。     

确定性固态量子光源基础材料与器件

量子光源是量子通信和光量子计算的基础模块。光子的单光子性保证了通信的无条件安全,光子的高不可分辨性保证了计算方案的复杂度。在各类固态材料候选体系中,基于半导体量子点体系的单光子源和纠缠光子源保持着量子光源品质的最高纪录,展现了巨大的潜力。分子束外延是目前最适合制备固态半导体量子点的生长方法,超高真空、超纯材料、原位监测和生长过程中参数的高度可控等特点使其优势明显。为了实现同时具备高效率、高单光子纯度、高不可分辨性和高纠缠保真度的量子光源,量子点的材料生长、外部调控、钝化技术和测量技术等都需要系统优化提升。本文将综述基于分子束外延生长实现固态量子点体系量子光源的基础材料与器件的研究进展,讨论两种常见量子点的制备原理以及外延生长中各类参数对量子点品质的影响,包括背景真空、源料纯度、衬底温度、生长速率和束流比等。本文随后简介了外部调控、表面钝化、测量技术等手段优化量子光源器件性能的技术细节和实验进展,最后对量子光源在基础科学研究和量子网络构建中取得的进展进行总结,并对其实际应用与发展前景进行展望。     

兰州化物所金属/半导体异质光催化纳米材料研究获进展

在中国科学院"百人计划"项目和国家自然科学基金委支持下,中国科学院兰州化学物理研究所能源与环境纳米催化材料课题组在金属/半导体异质光催化纳米材料结构设计合成研究领域获新进展。能源与环境纳米催化材料课题组设计构建了一种新型异质结构光催化剂——金属Ag纳米线/Ag3PO4立方体异质光催化剂,即在Ag纳米线表面通过选择性外延生长构建了尺寸、形貌、位置、数量等可控的Ag3PO4立方体,形成项链状异质纳米结构。由于金属Ag纳米线具有较低费米能级,可以高效分离半导体光     

半导体GaAs—Ga0.65Al0.35As多量子阱的光谱性质及实现激光制冷的可能

我们利用光致发光(PL)和激发光谱(PLE)技术研究了GaAs量子阱的光谱性质,在GaAs量子阱的光致发光中观察到上转换发光,首次提出GaAs量子阱结构可能实现激光制冷,探索了GaAs量子阱结构的发光机理。     

1.3微米发光自组织InAs/GaAs量子点的电致发光研究

用优化的MBE参数生长了1.3μm发光的InAs/GaAs量子点材料,并制成发光二极管,对不同温度和有源区长度下样品的电致发光谱进行了细致的研究.观察到两个明显的电致发光峰,分别对应于量子点基态和激发态的辐射复合发光.实验表明,由于能态填充效应的影响,适当增大量子点发光器件有源区长度,更有利于获得基态的光发射.这个结果提供了一种控制和调节InAs/GaAs量子点发光二极管和激光器的工作波长的方法.     

InGaAs应变减少层对InAs量子点发光波长红移的影响

用有限元法对InAs/GaAs量子点材料的应变分布进行了研究,特别强调了三元化合物In0.2Ga0.8As应变减少层对各个应变分量的影响。在应变减少层作用下沿着平行生长方向和垂直于生长方向的应变分量增强;对电子结构有重要影响的静水应变和双轴应变分量也得到了增强。采用八带k.p理论,研究了在有应变减少层的条件下,应变对带边的影响,计算结果表明,与没有应变减少层相比,应变导致带隙变窄,定性解释了实验观察到的发光波长红移现象。通过调整相关参数,可以采用应变减少层技术实现光纤通信系统用的长波长发射激光器。     

GaAs衬底温度对液滴外延法生长In液滴的影响

采用液滴外延法在GaAs(001)衬底上生长In液滴,利用原子力显微镜(AFM)对不同衬底温度下生长的样品进行表征,观察其表面形貌。研究表明In液滴的生长对衬底温度十分敏感,随着衬底温度的升高,液滴密度逐渐减小,液滴尺寸逐渐增大。分析了In液滴在不同衬底温度形成过程的物理机制,解释了该实验现象的原因。根据成核理论中最大团簇密度与衬底温度之间的关系,拟合计算出In液滴密度与衬底温度满足的函数关系为n_x=5.17 exp(0.69 eV/kT)。     

R面、C面蓝宝石上生长的InGaN多层量子点的发光性质研究

采用表面钝化和MOCVD低温生长在蓝宝石(0001)面(即C面)和蓝宝石(1102)面(即R面)上形成了InGaN量子点,并构成了该量子点的多层结构.原子力显微镜测试的结果表明单层InGaN量子点平均宽约40nm,高约15nm;而多层量子点上层的量子点则比单层的InGaN量子点大.R面蓝宝石衬底上生长的InGaN量子点和C面蓝宝石衬底上生长的InGaN量子点相比,其PL谱不仅强度高,而且没有多峰结构.这是由于在C面蓝宝石衬底上生长的InGaN/GaN多层量子点沿生长方向[0001]存在较强的内建电场,而在R面蓝宝石衬底上得到的多层量子点沿着生长方向[1120]没有内建电场.InGaN量子点变温光致发光(PL)谱研究发现量子点相关的峰有快速红移现象,这是量子点系统所特有的PL谱特征.用在R面蓝宝石上生长的InGaN量子点作有源层有望避免内建电场的影响,得到高量子效率且发光波长稳定的发光器件.     

二次退火制备Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点

利用离子注入法在一块Si(001)衬底上注入了In+和As+,注入能量分别为210keV,150keV,注入剂量6.2×1016cm-2,8.6×1016cm-2,另一块Si(001)衬底上注入Ga+和Sb+,注入能量分别为140keV,220keV,注入剂量分别为8.2×1016cm-2,6.2×1016cm-2,然后对样品分别经过一次退火和二次退火处理制备出了Si基量子点材料。用透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了退火后量子点截面像,用PL探测量子点的光致发光谱,发现经二次退火生长的量子点微晶格结构和Si衬底损伤的修复均明显优于一次退火。     

CdTe量子点生长速率的参数研究

以NaTeO3为碲源,还原型谷胱甘肽(GSH)为稳定剂,一步合成CdTe量子点.研究了参与反应回流的镉与碲摩尔比和Cd2+浓度对CdTe量子点生长速率的影响,并用荧光光谱、X射线衍射光谱及透射电子显微镜对其性能进行表征.结果表明:GSH稳定的CdTe量子点具有闪锌矿结构、球形形貌;在pH =8.5,n(Cd2+)∶ n(GSH)=1∶1.2,C(Cd2)=0.67 mmol/L,n(Cd)∶ n(Te)=6∶1时,CdTe量子点荧光量子效率最高可达51.53;,并且量子点生长的速率在初期的1h内达到最高点,并随着时间的延长呈下降趋势.     

δ掺杂Si对InAs/GaAs量子点太阳电池的影响

在InAs/GaAs量子点的自组装生长阶段,采用δ掺杂技术对量子点进行不同浓度的Si掺杂,可以使得量子点的室温光致发光峰强度大幅提高,其原因是掺杂的Si原子释放电子钝化了周围的非辐射复合中心.这种掺杂也应用到了量子点太阳电池中,结果表明电池开路电压从0.72 V提高到了0.86 V,填充因子从60.4;提高到73.2;,短路电流从26.9 mA/cm2增加到27.4 mA/cm2.优化的Si掺杂可将量子点太阳的电池效率从11.7;提升到17.26;.     

新型氧化钨量子点电极材料问世

<正>近日,中科院苏州纳米所赵志刚课题组和苏州大学耿凤霞课题组合作开发出一种具备超快电化学响应性能的新型氧化钨量子点电极材料。该成果发表在近期出版的国际期刊《先进材料》上。与传统块体材料相比,量子点(零维纳米材料)的小尺寸、大比表面积、高的表面原子比例意味着材料与电解液的充分接触以及更短的离子扩散距离,堪称理想的电极材料。然而,将量子点应用于电化学的研究结果大多并不理想,这与常见量子点材料电化学活性差、表面有机配体包覆以及粒子间界面电阻较高密切相关。     

半导体GaAs—Ga0.65Al0.35As多量子阱的光谱性质及实现激光制冷的可能

我们利用光致发光（PL）和激发光谱（PLE）技术研究了GaAs量子阱的光谱性质,在GaAs量子阱的光致发光中观察到上转换发光,首闪提出GaAs量子阱结构可能实现激光制冷,探索了GaAs量子阱结构的发光机理。     

Al液滴在GaAs表面的熟化行为研究

为探究Al液滴在GaAs表面的熟化行为,利用液滴外延法在GaAs衬底表面制备Al液滴.在零As压环境下,通过控制退火时间有效控制Al液滴的生长、成核.结合热力学原理和晶体生长理论对样品形貌变化现象进行物理解释,构建出液滴形貌变化过程中熟化、刻蚀和扩散行为的基本模型.理论计算表明,液滴在熟化行为达到退火239 s的平衡点后,被向下刻蚀和向外扩散两个行为同时消耗.