InAs/GaAs量子点生长中应力分析

杨园静，涂洁磊，李 雷，3，姚 丽，4

（1.文山学院 数理系，云南 文山 663000；2.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650092；3.楚雄师范学院 物理与电子科学系，云南 楚雄 675000；4.大理学院 电子工程及自动化系，云南 大理 671000）

在理想量子点生长中，首先，浸润层中出现弹性变形的应力生长，最终形成了共格和无缺陷的小岛，即量子点。影响量子点生长的因素包括环境条件和生长条件。环境条件是指客观的、不可改变的作用，如外延层与衬底晶格常数、超晶格结构、生长台面偏角、衬底掺杂剂等，这些条件决定了生长过程中外延层所受到应变作用，决定了量子点的生长形貌和特性；生长条件主要指生长温度、生长速率、Ⅴ/Ⅲ比和盖层制作等可以调节或改变的因素，它们通过外延层的表面能、扩散能等，实现对量子点生长形貌进行作用［1］。

InAs（InGaAs）/GaA系统中，InAs和GaA的晶格常数分别为6.058和5.653nm，失陪度小于7%，属于典型的SK模式生长。研究表明，外延层InAs受到应变作用，决定了外延层生长从二维（2D）层状生长向三维（3D）岛状生长转变及临界厚度；应力决定了量子点的有序生长；还决定了从岛状无缺陷生长到出现缺陷生长的应力积累过程，最终产生缺陷，以释放应力，转变为多晶生长。

量子点生长中，外延层生长所受应变作用十分复杂，导致量子点的形貌各不相同，应变作用贯穿了生长的整个过程。外延层对量子点应变作用调节，主要通过两方面来实现：调节生长面，改变对侵润层生长面应力；生长时，调节应变层In和Ga的组分，通过改变晶格常数，调节对外延应力。

1 量子点生长中的应变作用

1.1 GaAs（001）面衬底上，InAs量子点生长应变分析

1.1.1 应变决定量子点的形貌

目前，SK模式InAs/GaAs量子点，多采用MBE和MOCVD进行生长。标准生长面上，在未生长盖层时，更多报道为两种形状：（1）最多是金字塔（或近似）形量子点［2］，有特定的侧面晶面和基座取向；（2）透镜形量子点，没有特定的晶面［3］。

分析认为：在理想周期性应变场引导下，结构原子按系统能量最小进行排列，InAs形成了有序的应力积蓄和变形生长，呈现出金字塔形分布。对于透镜形或截顶金字塔形量子点，可以从生长条件偏离理想条件，以及高温生长下InAs中In的扩散进行分析得出。在制作盖层后量子点，没有金字塔和明确的形貌报道，以及InAs中的In和衬底（缓冲层）GaAs中的Ga之间的相互扩散，以及长时间高温退火，量子点特性减退等试验中得到验证。

1.1.2 应变决定核的有序分布和量子点临界厚度

量子点生长，先是侵润层的2D生长，随后成核并在核上生长。文献［4］利用InxGa1-xAs应变层组分调节材料晶格常数，通过原子力显微镜（AFM)测试，对有序成核研究。核在GaAs（001）基InxGa1-xAs（x=0.15）应变层上生长，呈现沿［1Ī0］排列的规律，应变层越厚，应变层表面的应力释放区越宽，量子（核）点密集的区域也越宽。

分析认为：生长面上核有序的分布结果，主要是由于量子点优先在应变层的应力释放区成核所形成的。由于应变层引起失配位错在界面上沿［1Ī0］方向［5］，位错线两侧分别为张应力区和压应力区，不同位错产生的应力场发生叠加，最终将在表面产生沿该方向较强的调制应力场。应变层对临界厚度同样产生影响。当应变层晶格常数介于InAs和GaAs衬底时，对有序成核作用显现为减弱。采用InxGa1-xAs（x=0.15）应变层比采用 GaAs应变层［4］，临界厚度增加。

1.1.3 应变决定量子点的有序分布

生长由2D向3D生长，有序成核决定了有序的量子点生长。量子点有序生长包括两个方面：一方面是垂直生长面的多层量子点层间有序；另一方是生长面上的有序。

Xie等人层间有序进行详细的研究［6］，从自组装量子点的成核位置受表面应力场的影响，对竖直对齐和对齐几率取决于隔断层的厚度，进行了分析。

目前，利用超晶格结构和InxGa1-xAs中应变层、位错调节和（001）近邻面存在的台阶生长等应力调整，生长面上均获得有序的量子点生长。

1.2 GaAs近邻面衬底上，InAs量子点生长应变分析

量子点在近邻面上的生长时，平行与垂直台阶方向台阶生长面的差异，外延层受到应变作用不同。

1.2.1 GaAs（100）偏（110）2°近邻面衬底上，InAs量子点有序应变分析

在2°偏角衬底上，外延不同InAs厚度生长［7］，AFM结果如图1。从图1中可见（1）量子点（核）在两个垂直方向上的不同有序排列；（2） InAs外延厚度增加，小量子点合并为大量子点的过程。

图1 近邻面不同厚度 InAs外延AFM图片

对近邻面上量子点的有序性生长分析，目前存在两种观点：一是由于生长台面上存在的断键作用引起；二是外延层所受到的应变场作用引起。断键理论在开槽、刻蚀制作有序量子点生长等得到典型和成功解释及应用，但是，对于图2中的量子点（核）排列交叉现象时［8］，很难给出解释。

图2 AFM图 GaAs（100）近邻面上生长InAs量子点

在应变作用观点下分析认为：沿压力小的方向，外延层容易成生长为密集量子点，形成链状结构，同时，在量子点长大、合并过程中，容易伸展合并。图中链状交点不过是应力交错形成特殊链状有序结构。

1.2.2 不同偏角衬底上生长实验，量子点生长结构与形貌有序应变分析

采用不同偏角P型GaAs衬底，在相同条件下生长，样品a和b的偏角分别为15°和2°。图3为量子点3D形貌AFM测试。量子点双模生长，小量子点在2 nm线度上，大量子点分别接近70 nm和60 nm。

图3 不同偏角，单层P型衬底，量子点生长AFM图

分析认为：在样品a中InAs生长，沿生长台面被拉伸的垂直台阶方向受到的应力小，量子点生长间距较小。随着沉积增加，量子点容易伸张，个体量子点此方向线度大。同比样品b，样品a在此方向应力相对较小，外延层容易形成浸润层沟道，形成量子点的合并；在平行台阶方向，InAs受到的压应力梯度较大，量子点生长高度梯度变化较大。沟道作用还降低了其高度。

样品b，两个方向应力差相对较小，出现合并现象几率相近，形成量子点的密度较大，线度较小，平均高度高，但是，应变作用使得量子点沿小应力方向，被拉伸为半椭球的生长结果。

1.2.3 GaAs近邻面衬底上，InAs大量沉积生长中的应变分析

用MOCVD生长技术，在GaAs（100）偏（110）角分别为2°、10°和15°衬底上，生长20A。厚度InAs。从图4 AFM测试中，看到外延层的缺陷生长和不同倾斜面样品，生长的结果很不相同，存在巨大差异。

分析认为：沿相对应力作用较弱方向（标注直线）上，外延层紧密有序排列，随着两垂直方向的压力差增大， 10°样品比2°样品生长岛更加紧密，且前者出现浸润层出现沟道连接，出现链状生长，通过相互渗透，平均高的均匀化和整体降低；与之垂直方向上，应力作用较强，链状岛生长保持分开。更大的应力差，使 15°样品呈现族状生长，出现多核生长聚集生长，以释放过剩复杂应力。

图4 不同偏角InAs大量沉积的AFM图

2 结论

通过S-K生长模式，在GaAs（001）标准面及其近邻面衬底上， 对InAs的量子点生长、沉积过程中，应变分析研究和实验研究表明：

量子点生长过程中，受环境条件和生长条件影响，其中，由于晶格常数和生长台面等环境条件决定的应力因素，对量子点的影响最大，其他因素主要通过对应变作用的改变来实现。

应变作用对量子点的形貌、有序成核、量子点有序生长合并具有决定性的影响，应变作用贯穿了量子点生长的全过程。大量InAs沉积变作用研究还表明：应变作用还对量子点后续的缺陷岛状生长，同样具有重要作用。

周期性的应变作用，决定了量子点的周期性有序生长。量子点在近邻面上的生长时，外延层受到台阶生长面应力作用，使得量子点的生长呈现多样性。

总之，外延量子点生长中，应变作用决定了量子点的有序生长和形貌，从而决定了其特性。通过超晶格结构和近邻面生长等，对生长过程中的应力进行调节和控制，可实现不同量子点生长，这是实现量子点叠层电池等不同量子点特性要求设计首先要进行考虑的。

［1］杨红波，俞重远，刘玉敏，等.影响半导体量子点生长因素的分析［J］.人工晶体学报，2004（6）:1018-1021.

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［8］Zh.M.Wang S S J H.Surface ordering of (In,Ga)As quantum dots controlled by GaAs substrate indexes［J］.Appl.Phys.Lett, 2004（85）: 5031.