生长温度对In0.5Ga0.5As/GaAs量子点尺寸的影响

马明明, 杨晓珊, 郭 祥, 王 一, 汤佳伟, 张之桓, 许筱晓, 丁 召

(贵州大学大数据与信息工程学院 贵州省微纳电子与软件技术重点实验室, 贵州 贵阳 550025)

1 引 言

III-V族化合物半导体材料具有独特的能带结构和性质，在微波器件、光电器件、霍尔器件以及红外探测器件制造[1]等方面倍受研究者的青睐. 基于In(Ga)As/GaAs量子阱异质结构(Dots-in-a-Well, DWELL)的半导体量子点器件被广泛应用于场效应管(Field-Effect Transistor, FET)，太阳电池和量子点激光器[2]等领域. 量子点器件的性能取决于量子点尺寸、密度、均匀性，而量子点的制备受环境条件和生长条件影响. 生长条件可通过改变或调节，如生长温度，生长速率，组分比等；其中温度是影响量子点的重要参数，它可以通过外延层的表面能、扩散能来实现对量子点形貌的作用，因此探索生长温度成为量子点研究的关键[2-7].

Lytvyn等[6]对多层InGaAs/GaAs量子点的温度影响的研究发现，随着温度升高量子点按[0-11]方向呈链状分布. .Kamarudin等[7]在低温下生长GaSb量子点时发现了非S-K模式的界面位错(IMF)生长. Saito 等人[8]在探究温度对InAs量子点形状的影响时，发现在一定高温下InAs量子点呈金字塔形状分布. 目前，虽有较多关于温度对量子点影响的研究，但在实验基础上作出系统全面的物理分析的较少. 本文通过改变衬底温度生长单层In0.5Ga0.5As/GaAs量子点后，对生长出的量子点进行形貌表征，并通过物理模型以及理论分析对该实验现象作出进一步的解释.

2 实 验

本实验采用MBE技术外延设备制备In0.5Ga0.5As/GaAs量子点(背景真空为2.0×10-7Pa)，衬底为可直接外延的GaAs (001)衬底基片，Si掺杂浓度为ND=1.49×1018/cm3. 利用束流检测器(Beam Flux Monitor, BFM)对As(Ga, In)束流等效压强进行校准，获得As(Ga, In)源炉处于不同温度时的等效束流压强；采用测量GaAs (001)表面各种重构相在不同衬底温度和As4保护气压下的转变温度对衬底温度进行校准，获得衬底温度(热偶读数)和衬底实际温度的关系并将温度的热偶读数转化为实际温度(以下温度均为实际温度)[9]. 在580 ℃下除去GaAs表面氧化层后，将衬底温度降到560 ℃，生长厚度为900 nm的 GaAs缓冲层(此时Ga源温度为1020 ℃，Si源温度为1150 ℃)，原位退火1 h以获得GaAs平坦表面. 之后在生长好的GaAs缓冲层上分别在不同的温度下生长In0.5Ga0.5As/GaAs量子点，生长条件如表1所示. 样品生长完成后，将其放入扫STM进行扫描观察.

表1 In0.5Ga0.5As/GaAs量子点生长条件

Table 1 Growth conditions for In0.5Ga0.5As/GaAs quantum dots

衬底温度(℃)速率(ML/S)沉积量(ML)退火时间(S)As压(Pa)4900.16600.675100.16600.675200.16600.675400.16600.67

3 结果与讨论

3.1 不同温度对In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的形貌影响

图1.(a) ～ (d)为In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的200 nm×200 nm STM图像，衬底温度分别为490 ℃、510 ℃、520 ℃、540 ℃.

图1 不同温度下生长的In0.5Ga0.5As/GaAs量子点(200 nm×200 nm)STM图像Fig. 1 STM images of In0.5Ga0.5As/GaAs QDs (200 nm×200 nm) grown at different temperatures

从图上可以看出，在GaAs(001)衬底上有量子点形成，通过观察可以发现量子点的密度、尺寸以及形状都随温度的升高有明显的变化. 为了探究温度对In0.5Ga0.5As/GaAs量子点形貌的影响，对量子点的密度、高度、直径进行了统计分析，统计结果如图所示.

图2 In0.5Ga0.5As/GaAs量子点密度随生长温度变化趋势Fig. 2 Relationship between growth temperature and the density of In0.5Ga0.5As/GaAs quantum dots

图3 不同温度下In0.5Ga0.5As/GaAs量子点高度分布Fig. 3 Height distribution of In0.5Ga0.5As/GaAs quantum dots at different temperatures

图4 不同温度下In0.5Ga0.5As/GaAs量子点直径分布Fig. 4 Diameter distribution of In0.5Ga0.5As/GaAs QDs at different temperatures

在温度为490 ℃时，量子点较为稀疏，还可以发现有的为量子点集群，而有的较离散，量子点平均密度为4.5×1010cm-2，量子点高度多为4 ～ 5 nm，占比为87%，而高于5 nm的仅有13%；直径20～ 30 nm占比90%. 这是由于温度较低时，In原子在表面的迁移能力较弱，迁移率较低，原子扩散距离较短，导致无位错的3D成核方式弛豫应变的能力被削弱，同时导致原子在沉积过程中发生凝聚，量子点之间发生融合出现量子点集群现象，因此只有少量的较小的量子点形成，并且位置分布不均匀；当温度升高至510 ℃时，量子点平均密度为11.75×1010cm-2，是490 ℃时量子点密度的3倍. 高度高于5 nm的量子点占比55%，直径为20 ～ 30 nm的量子点占比88%，高度增加但直径分布无明显变化，且出现了直径大于30 nm的量子点. 这是因为温度升高，In原子在表面的迁移能力增强，在较高的温度下，大量子点周边分散的In原子很容易获得足够的热量脱离出来，有的In原子其他吸附的原子聚集起来形成新的量子点，而有的In原子则会继续迁移到已有的量子点上融为一体，因此量子点的密度随生长温度的上升而增加，尺寸也随温度变大. 当衬底温度到了520 ℃时，量子点较为密集并且位置分布较为均匀，不再有明显的量子点集群现象，量子点平均密度约为10.75×1010cm-2，相对于510 ℃时密度略有下降，高度高于6 nm的占比高达90%，4 nm以下的量子点已经消失，开始出现高于8 nm的量子点，占比32%，同时直径小于20 nm的量子点消失，大于30 nm的量子点占比35%；当温度升至540 ℃，密度下降到了7×1010cm-2，而量子点高度集中到了7 ～ 9 nm，占比80%，并且高的量子点达到10 nm，直径大于30 nm的量子点占比达到60%，25 ～ 30 nm的为38% ，由于温度持续升高，给原子提供了足够的能量，使得表面原子扩散迁移能力变强，表面原子扩散距离进一步增加，更容易被衬底上已存在的量子点所俘获而形成更大的量子点，量子点之间发生了Ostwald熟化过程. 将温度升至555 ℃生长In0.5Ga0.5As/GaAs量子点时，生长过程中通过反射高能电子衍射仪实时监控发现生长速率发生了变化，观察到的量子点并不明显，这是由于温度过高使得In原子脱附，当温度的升高使得表面原子的解吸附作用不能忽略时，量子点表面原子会不稳定从而限制了量子点的生长. 曾有相关研究表明在真空中In从表面脱附的温度为550 ℃[10, 11]，我们的实验也再次验证了这一结论.

3.2 温度对量子点生长影响的物理分析

3.2.1 热力学模型

系统为了平衡稳定而达到能量最低的状态，物质总是由化学势较高的相向化学势较低的相迁移[12]，可以理解成类似于重力场中流体总是从势能高处向势能低处流动，从而达到稳定状态. 对应到量子点的生长，量子点之间发生Ostwald熟化过程，这一过程可以用Gibbs-Thomson公式[13]来描述，即

Gibbs-Thomson公式将界面的曲率半径和界面附近溶质原子的平衡浓度联系起来：较小岛中的原子具有较高的活度，因而其平衡蒸气压也比较高，化学势较高，因此当两个尺寸大小不同的岛相邻时，尺寸较小的岛由于化学势较高，所以有蒸发原子的倾向，而较大的岛则有吸收原子的倾向，结果是较大的岛因吸收原子而长大，而较小的岛则因失去原子而消失.

通过上述原理，可以对上述实验现象以及统计结果作出合理解释. 实验结果分析显示随着温度升高，量子点密度先增大后减小，而高度和直径则随温度的升高而增大. 由于在实际生长中，表面会存在各种缺陷，导致原子的运动变得复杂，每个原子会有不同的吸附和脱附过程，因此在一定初始温度下形成的量子点大小不一，随着温度继续升高的影响，由于大小不同的量子点具有不同的化学势，较小的量子点化学势较高，较大的量子点化学势较低，因此较小量子点中的原子会流向较大量子点，从而导致较小量子点消失，较大量子点继续变大. 当量子点体积增大到周围有了较高的应变能约束后，原子的表面扩散会受到量子点边缘区域较高应变能形成的势垒的约束，使得量子点出现自限性生长，从而提高了量子点尺寸的均匀性. 理论上在达到平衡状态时，量子点的体积在特定的条件下会限制在一定范围内. 所以我们在实验结果中看到，温度为540 ℃时，密度相较于510 ℃反而减小，高度低于4 nm、直径小于20 nm的量子点已全部消失.

3.2.2 动力学模型

大量研究表明，In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的生长是按S-K模式来进行的. S-K转变在热力学中被认为是一级相变过程，相变起始于处于亚稳态的超厚浸润层，终止于较稳定的2D+3D形态，处于亚稳态2D外延层中的过量应变是3D岛成核的驱动力[14]. 对于In0.5Ga0.5As/GaAs量子点的外延生长，建立如图5所示的模型图来直观的说明这一过程.

图5 In0.5Ga0.5As/GaAs量子点S-K生长模型图Fig. 5 The S-K growth model of In0.5Ga0.5As/GaAs QDs

从(a)到(c)表示超厚浸润层向三维量子点的转变过程. 如图5(a)所示，在3D岛形成前，浸润层表面会有很多2D岛的形成，2D岛内的应变会降低岛边缘处原子的脱离势垒和原子发生层间转移的势垒，当温度升高，2D岛在边缘处俘获吸附原子使其体积继续增大. 当2D岛的体积达到某个临界值时，如图5(b)所示，随着温度的继续升高，从2D岛边缘处脱离出来的原子向上跳跃到2D岛的表面，并在边缘处聚集成核，便开始了3D岛的生长，最终形成图5(c)所示的三维量子点. 上述过程中原子的跳跃需要能量，除了一部分能量是来源于自身体积的增加而释放的应变能外，另一部分则是由于温度给原子提供了足够的能量，使之跨越势垒到了上一层. 因此本实验中可以看到，随温度升高量子点高度增加，正是原子具有了足够的能量跨越势垒发生层间转移所致.

4 结 论

通过不同衬底温度生长In0.5Ga0.5As/GaAs量子点，并对其进行表征和分析得出如下结论：(1)在较低温度下量子点会出现集群现象. 随着温度的升高，表面原子的迁移率增加，且扩散距离增加从而提高了量子点的分离性，使得量子点密度增大. 当温度继续升高，经过熟化过程量子点密度减小，尺寸增加. 当温度升至表面原子解吸附作用不能忽略时，则会限制量子点生长；(2)量子点形成的驱动力除了来自应变能外，还有温度提供的能量. 温度的升高给原子提供足够的能量使之能够跨越势垒，使得量子点尺寸变大.