In0.3Ga0.7As多层耦合表面量子点气敏特性分析*

刘增光， 杨莹丽， 王国东， 王俊君， 杨林林， 璩光明

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000； 2.河南理工大学 分析测试中心， 河南 焦作 454000；3.河南理工大学 物理与电子信息学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

近些年来，半导体纳米材料由于其特殊的光学和电学特性而受到广泛的关注。除了在光电领域的广泛应用外[1～5]，半导体纳米材料在环境传感方面的研究也取得了一系列重要进展，如ZnO[6～8]，石墨烯纳米结构[9]，碳量子点膜[10]，多孔硅[11]和化合物半导体[12～14]等，均对外部环境十分敏感。特别地，化合物半导体表面量子点(surface quantum dots,SQDs)的光致发光(PL)对外界环境非常敏感。例如，与真空环境相比，InP 表面量子点的 PL强度在乙醇气体(14 000×10-6)中增长了24 %，且其发光强度可逆[12]；InGaAs表面量子点的PL在真空中猝灭，在干燥环境下强烈降低[13]，然而,在潮湿的环境中其信号很强。这种PL对环境变化的高灵敏性使得表面量子点非常适合应用于传感器的开发。此外，有研究发现通过将表面量子点生长在多层掩埋量子点(BQDs)上形成多层耦合结构，能够显著改善SQDs的PL[14]。然而，截止目前，针对多层耦合结构SQDs的电响应与外界环境关系的研究报道较少。

本文主要针对多层耦合结构SQDs的电响应开展研究，研究结果将有助于半导体SQDs在气敏传感领域的应用。

1 实 验

采用分子束外延技术生长了SQDs耦合结构样品，其结构示意图如图1(a)所示。样品的具体生长过程如下：首先，在610 ℃下脱去半绝缘GaAs衬底的氧化层，并在600 ℃下生长150 nm厚的GaAs缓冲层；其次，在590 ℃下先后生长200 nm厚的Al0.3Ga0.7As刻蚀停止层、200 nm厚的Si掺杂GaAs层和40 nm厚的未掺杂GaAs层；然后，在衬底温度505 ℃下沉积11 mL的In0.3Ga0.7As单分子层并在其上沉积10 nm的GaAs盖层形成掩埋量子点层(BQDs)，该掩埋量子点层共重复生长5次形成5层掩埋量子点层。然后，在掩埋量子点层上再沉积11 mL的In0.3Ga0.7As形成SQDs。生长过程结束后，将样品温度降低至350 ℃，从分子束外延生长室中取出进行原子力显微镜表征。需要注意的是，本次实验共生长了3个SQDs多层耦合结构样品，其区别在于第五层BQDs与SQDs层之间的GaAs间隔层厚度分别为10 nm(1#)，18 nm(2#)和40 nm(3#)。另外生长一个参考样品(4#)，该样品具有与1#样品相同的5层BQDs结构，但是缺少SQDs层。

为了进一步测量样品的气敏特性，采用磁控溅射方法在4个样品表面分别溅射两个金电极，电极为边长(2.5×2.5)mm的正方形，电极间的距离为2 mm。两个方形电极与SQDs层形成肖特基接触。样品的气敏测试是在本文作者搭建的气敏测试平台上进行的，该平台由真空测试腔，真空泵，Keithely4200-SCS和532 nm的激光器组成。试验中通过调节激光器的光功率观察不同光功率下样品的气敏响应。

图1 所研究样品的横截面示意和2×2 SQDs的AFM

2 结果与讨论

图1(b)给出了1#样品中SQDs的原子力显微镜(AFM)图。由图可知，样品中SQDs的大小和分布具有很高的均匀性，证明本研究生长样品的质量较高。该样品表面中量子点的面密度约为3.8×1010cm-2，平均半径和高度分别为(46±60)nm，(6.9±1.3)nm。

图2给出了1#样品在不同功率的激光照射下，测试腔中注入固定浓度(66 936×10-6)乙醇气体的电响应。从图2中可以看出，样品的电阻值随着激光功率的增加而减小，特别是在小电压(-0.7～0.7 V)范围内，样品电阻值变化明显。例如，给样品施加的电压为-0.5 V时，当激光功率从10 μW升高到200 μW时，样品的电阻值从21.8 MΩ减小为7.3 MΩ，约为原来的1/3。这可以解释为由于入射激光功率的增强导致了在样品内部产生了更多的光激发载流子，这些载流子可以由BQDs层传输到SQDs层，使得更多的光激发载流子可以在样品表面自由运动，增加了样品表面的电导率。同样地，当给样品两个电极上的偏压为-0.5 V时，当激光功率为10 μW时，注入乙醇气体前后，样品的电阻值从21.8 MΩ减小为13.9 MΩ，降幅约为36 %。这是因为乙醇气体分子可以被样品表面的表面态所吸附，导致了更多的光生载流子在样品表面运动而不是被表面态所吸附，从而增加了样品表面的电导率所致。

图2 不同光照强度下1#样品对乙醇气体注入前后的电响应变化

为了更加直观地观察到光照强度对样品的气敏性的影响，图3给出了在-1～1 V电压范围内，不同激光功率下1#样品在注入乙醇气体后的电阻变化率。由图3可观察到，在无光照(0 μW)的情况下，注入乙醇气体后，样品表面电阻的变化率接近于零。在光照情况下，注入乙醇气体后，样品的表面电阻变化显著。并且，随着激光功率在0～200 μW范围内不断增大，乙醇气体注入导致的1#样品产生的电阻变化率也不断增加。偏置电压为-0.7 V时，当激光功率从10 μW增加到200 μW时，样品表面电阻的变化率从10.9 %增加为66.56 %。这说明，光照是导致样品产生良好气敏性的前提条件，而光照强度是改善样品气敏性的重要因素。

图3 不同光照强度下1#样品对于相同体积分数乙醇气体产生的电阻变化率

图4显示了4个样品在200 μW光照下和-2～0 V的电压范围内，注入乙醇气体导致的电阻变化。从图4(d)中可以看出参考样品4#在乙醇气体注入前后电阻基本不变。但是，从图4(a)，(c),(d)可以看出乙醇气体注入后样品1#，2#，3#的电阻值发生明显变化。由于电阻值变化的三个样品1#，2#，3#其表面均有SQDs层，而电阻值不产生变化的参考样品4#不具有SQDs层。据此，可以认为SQDs的存在是导致表面电阻值变化的关键因素。这可以解释为表面量子点上存在的大量表面态具有俘获载流子的能力，而乙醇分子的吸附会钝化表面态，降低表面态俘获载流子的能力，使得更多载流子在样品表面运动，提高了样品表面的电导率。由于参考样品量子点上的GaAs盖层能够钝化表面态，使得表面态不能俘获载流子，抑制了表面态对样品电学性质的影响。因此，参考样品的电阻值几乎不受乙醇气体影响。也就是说，因为表面态的存在，具有3D纳米结构的SQDs对外界环境十分敏感。

图4 在200 μW光照强度下样品对于相同体积分数乙醇气体产生的电响应

进一步地，图5给出了在200 μW激光照射下，注入乙醇气体时，4个样品电阻值变化率的情况。从图5中可以看出，不同样品的电阻值变化率明显不同，样品1#具有10 nm间隔层厚度的耦合结构;样品2#具有18 nm间隔层厚度;样品3#具有40 nm间隔层厚度;4#为参考样品。

图5 在200 μW光照下4个样品对乙醇气体产生的电阻变化率

从图5中可看出，乙醇气体导致样品1#,2# 和3# 产生了不同的电阻值变化率。4# 样品由于其表面不存在表面量子点，其电阻值变化率基本为零。另外的三个样品中，1#样品的电阻值变化率最高，3#样品的电阻值变化率最低。结合样品1#,2#,3#中GaAs隔离层的厚度分别为10，18,40 nm，发现，GaAs间隔层越厚，在注入乙醇气体时，样品的电阻值变化率越低。也就是说GaAs隔离层的厚度可以显著影响样品的气敏特性。这是因为间隔层厚度会影响到光激发载流子从BQD层到SQD的跃迁效率。间隔层厚度较薄(10 nm)时，SQDs与BQDs存在强载流子跃迁，乙醇分子钝化表面态，有利于BQDs中的更多光激载流子转移到SQDs，使得电阻值变化较大。当间隔层厚度增大，BQDs层与SQDs层的传输效率降低，转移到SQDs的载流子变少，从而电阻值变化较小。

结果表明，样品对乙醇气体的高敏感性不仅归因于SQDs的存在，还归因于SQDs层与BQDs层的间隔层厚度。一方面，SQDs的高表面与体积比大大增加了气体吸附位点。另一方面，薄的GaAs间隔层使得SQD层与BQD层具有强耦合效应，提高了样品的气敏性。

3 结 论

综上所述，本文详细分析了光照和乙醇气体对In0.3Ga0.7As SQDs和无SQDs的参考样品电响应的影响。在相同光照条件下，乙醇气体的注入对参考样品的表面电阻值基本没有影响，而对In0.3Ga0.7As多层耦合表面量子点的表面电阻值有显著影响，表明3D纳米结构的SQDs对外界敏感的重要性。同时，乙醇分子对样品表面的吸附降低了活性表面态的密度并释放电子，促进了电子的输运，增加了表面电导率。此外，当GaAs间隔层厚度越厚时，样品对乙醇的电响应越小。本文的研究结果表明SQDs纳米结构在发展生物、化学和气体传感器的应用方面有广阔的前景。