InAsSb半导体量子点结构的制备及其光电性质研究

基于半导体量子点结构的光电子器件在光电子领域具有极其吸引人的应用前景，是当前的一个研究热点。国际上对半导体量子点的自组织阵列结构的特性和可能的应用进行了大量的研究，在量子点的制备和器件制作方面已取得很大进展。但对工作波段在中红外区域的自组织量子点结构的研究还很少。而工作于这一波段的高性能激光器、探测器和热光伏器件，可应用于有害气体检测、环境污染监测、资源探测、光纤通讯、及医疗和国防等方面，本项目拟利用低压MOCVD技术，在GaSb和GaAs衬底上制备中红外波段的InAsSb自组织量子点，研究量子点形成特性和规律，探索生长方法和采用不同的多层结构，获得尺寸和分布均匀的InAsSb量子点结构材料；对InAsSb量子点样品进行分析测试，研究其光电性质；制作原型器件，探索该结构在光电子器件方面的应用。

锑化物量子点结构器件在中红外波段有着可预见的重要的应用前景。本项目采用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）技术，根据不同应用波段和应用方向，研究制备了GaSb/GaAs、InSb/GaAs、GaSb/Si三种自组装量子点结构，研究分析了锑化物自组装量子点的形成机理及其特性。（1）通过优化GaSb/GaAs量子点的生长参数和所设计的制备技术参数，制备出密度高达2.1E10cm-2，平均底径为34nm，平均高度为3.6nm的GaSb/GaAs量子点。研究结果表明，生长温度对量子点尺寸和密度影响具有最优值。反应室压强通过影响反应速率，进而影响量子点表面形貌，但对量子点密度影响较小。气相V/III比则对量子点密度影响具有优值。中断时间和循环次数作为制备技术参数主要影响量子点均匀性。（2）GaAs上InSb量子点的MOCVD生长机理与GaSb量子点的相似，但不同生长时间导致InSb量子点处于不同的生长模式。研究制备出密度为7E9cm-2，平均底径为82nm，平均高度为8nm的InSb/GaAs量子点。（3）系统的研究了GaSb/Si量子点和初期成核过程的生长特点。研究了MOCVD生长参数、制备技术参数以及衬底表面锑化和镓化处理三个方面对GaSb/Si初期成核过程和量子点形貌的影响。通过上述三种锑化物自组装量子点结构的制备和特性研究，发现反应热力学和有机源特性是影响锑化物量子点形貌的主要因素。生长参数均存在制备尺寸小、密度高的锑化物量子点结构的最优窗口。生长过程参数对量子点形貌的影响主要体现在尺寸及分布均匀性上。优化后的锑化物量子点生长条件，为量子点结构器件的制备奠定了基础，并且为进一步深入研究Si上制备锑化物材料及低维结构生长机理提供实验基础和参考价值。本项目也研究了GaSb/GaAs异质结构的成核机理，研究发现温度对成核的影响是最复杂的。反应室压强不易过低，否则较低的吸附原子浓度及快速的载气运动不利于晶核的沉积，反应室压强过高将使气相反应几率变大，不利于高密度成核。