量子点外延生长新模型(英文)

目前在原子尺度上人们对量子点分子束外延生长过程了解很少,所有关于量子点外延生长的理论模型和计算机模拟都是建立在传统的外延生长理论框架内。在传统理论框架内,量子点的生长过程被理解为发生在生长表面上一系列的单一的原子事件,如原子沉积、扩散、聚集等。在这种理论中,外延生长表面原子之间的相互作用被忽略;另外,按照这种理论,量子点生长过程必须是一个相对缓慢的过程。这种理论模型不可能恰当地解释所观察到的大量复杂的量子点外延生长实验现象。作者在两个实验现象基础上,提出了在InAs/GaAs(001)体系中量子点外延生长过程的新模型。这两个实验现象分别是在InAs/GaAs(001)生长表面有大量的"浮游"In原子,一个量子点的生长过程可以在很短的时间内完成(10-4 s)。在提出的新模型中,量子点的自组装过程是一个大数量原子的集体、协调运动过程。     

MBE自组装量子点生长和结构形态研究

综述了对自组装量子点形态和生长过程所做的探讨和研究。介绍了关于量子点成核和形态的热力学理论、量子点生长过程的计算机模拟及Ge/Si(001)和InAs/GaAs(001)量子点生长和形态的实验观察。鉴于InAs/GaAs(001)体系的复杂性,把对InAs量子点的观察和研究分为"微观"和"宏观"两种。微观研究对象包括量子点原子尺度上的结构、量子点表面小晶面的晶体学的精确取向等,这些性质可能受热运动的影响比较大,在一定程度上是随机的,它们代表了量子点生长行为的复杂性;宏观研究的对象是指量子点密度、纳米尺度形态等大量粒子统计意义上的集体行为,这些性质和行为可能更具有实际意义。因此作者认为,目前研究量子点生长和形态更为有效的方法应该是探寻以量子点宏观行为所表征的简单性。重点介绍中科院半导体所半导体材料重点实验室最近所做的对InAs/GaAs(001)量子点生长过程的实验观察。结果表明,在一般生长条件下(富As,500℃,0.1ML/s),InAs量子点成核和生长应该都是连续的,没有经历被普遍认为的不连续(一级)相变。按照作者的观察,把InAs量子点成核看作是连续(二级)相变更为贴切。     

基于图形衬底的InAs/GaAs量子点和量子环液滴外延

液滴外延生长半导体材料是一种较为新颖的MBE生长技术,而图形衬底对液滴外延的影响到目前为止并没有非常详细的研究结果. 作者在GaAs μm级别图形衬底上进行了InAs的液滴外延生长,并在不同结构的图形衬底上得到了不同的InAs量子点和量子环生长结果.基于生长结果,分析了图形衬底对液滴外延的影响和液滴外延下量子点和量子环的形成机制以及分布规律.     

GaAs基上的InAs量子环制备

在分子束外延系统中,利用3nmGaAs薄盖层将InAs自组装量子点部分覆盖,然后在500°C以及As2气氛中退火一分钟,制成纳米尺度的InAs量子环。这一形成敏感地依赖于退火时的生长条件和生长InAs自组装量子点时的淀积量。InAs在GaAs表面的扩散以及同时发生的In-Ga互混控制着InAs量子环的形成。     

基于图形衬底的InAs/GaAs量子点和量子环液滴外延

液滴外延生长半导体材料是一种较为新颖的MBE生长技术.而图形衬底对液滴外延的影响到目前为止并没有非常详细的研究结果.作者在GaAsμm级别网形衬底上进行了InAs的液滴外延生长,并在不同结构的图形衬底上得到了不同的InAs量子点和量子环生长结果.基于生长结果,分析了图形衬底对液滴外延的影响和液滴外延下最子点和量子环的形成机制以及分布规律.     

垂直堆垛InAs量子点的光学性质

垂直堆跺InAs量子点是用分子束外延(MBE),通过Stranski-Krastanov(S-K)方式生长.利用光致发光(PL)实验对InAs量子点进行了表征.在生长过程中使用对形状尺寸控制的方式来提高垂直堆垛InAs量子点形貌均匀性.样品的外延结构是Si掺杂GaAs衬底生长500nm的过渡层,500nm的GaAs外延层,15nm的Al0.5Ga0.5As势垒外延层,5个周期的InAs量子点生长后2单层GaAs的外延结构,50 nh的Al0.5Ga0.5As势垒外延层,最后是15 m的GaAs覆盖层.外延结构中Al0.5Ga0.5As势垒外延层对镶嵌在里面的InAs量子点有很强的量子限制作用产生量子效应.PL测量系统使用514.5 nn的缸离子激发源.发现了量子点基态光致发光峰等距离向红外方向劈裂等新的物理现象.利用光致发光通过改变势垒的宽度和掺杂情况,研究了外延结构的光致发光特性,得到二维电子气(2DEG)随势能变化局域化加强等的新结果.     

InAs/GaAs系列量子点研究

为了获得波长长、均匀性好和发光效率高的量子点,采用分子束外延(MBE)技术和S-K应变自组装模式,在GaAs(100)衬底上研究生长了三种InAs量子点。采用MBE配备的RHEED确定了工艺参数:As压维持在1.33×10-5Pa;InAs量子点和In0.2Ga0.8As的生长温度为500℃;565℃生长50nmGaAs覆盖层。生长了垂直耦合量子点(InAs1.8ML/GaAs5nm/InAs1.8ML)、阱内量子点(In0.2Ga0.8As5nm/InAs2.4ML/In0.2Ga0.8As5nm)和柱状岛量子点(InAs分别生长1.9、1.7、1.5ML,停顿20s后,生长间隔层GaAs2nm)。测得对应的室温光致发光(PL)谱峰值波长分别为1.038、1.201、1.087μm,半峰宽为119.6、128.0、72.2nm、相对发光强度为0.034、0.153、0.29。根据PL谱的峰位、半峰宽和相对发光强与量子点波长、均匀性和发光效率的对应关系,可知量子点波长有不同程度的增加、均匀性越来越好、发光效率显著增强。     

大功率In(Ga)As/GaAs量子点激光器

利用分子束外延技术和S-K生长模式,系统研究了InAs/GaAs材料体系应变自组装量子点的形成和演化.研制出激射波长λ≈960nm,条宽100μm,腔长800μm的In(Ga)As/GaAs量子点激光器:室温连续输出功率大于3.5W,室温阈值电流密度218A/cm2,0.61W室温连续工作寿命超过3760小时.     

退火过程中自组织生长Ge量子点的变化

在超高真空系统中,用扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)研究了自组织生长的Ge量子点经不同温度退火后的变化.实验发现,当退火温度为630℃时,出现了许多新的量子点.与原来的在分子束外延过程中形成的无失配位错的量子点相比,新形成的量子点被认为是存在位错的岛.     

退火过程中自组织生长Ge量子点的变化

在超高真空系统中,用扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)研究了自组织生长的Ge量子点经不同温度退火后的变化.实验发现,当退火温度为630℃时,出现了许多新的量子点.与原来的在分子束外延过程中形成的无失配位错的量子点相比,新形成的量子点被认为是存在位错的岛.     

快速率生长MBE InAs/GaAs(001)量子点

用快速率(1.0ML/s)生长MBE InAs/GaAs(001)量子点。原子力显微镜观察结果表明,在量子点体系形成的较早阶段,量子点密度N(θ)随InAs沉积量θ的变化符合自然指数形式N(θ)∝ek(θ-θc),这与以前在慢速生长(≤0.1ML/s)条件下出现的标度规律N(θ)∝(θ-θc)α明显不同。另外,在N(θ)随θ增加的过程中,快速率生长量子点的高度分布没有经历量子点平均高度随沉积量θ逐渐增加的过程。这些实验观察说明,以原子在生长表面作扩散运动为基础的生长动力学理论至少是不全面的,不适用于解释InAs量子点的形成。这些观察和讨论说明,即使在1.0ML/s的快速率生长条件下,量子点密度也可以通过InAs沉积量有效地控制在1.0×108cm-2以下,实现低密度InAs量子点体系的制备。     

InAs自组织生长量子点的空穴俘获势垒

成功地用深能级瞬态谱（ＤＬＩＳ）研究了ｐ 型ＩｎＡｓ 自组织生长的量子点的电学性质,测得２．５ 原子层ＩｎＡｓ 量子点空穴基态能级在ＧａＡｓ 价带底上约０．０９ｅＶ,该量子点在荷电状态发生变化时需要克服一个势垒,俘获势垒高度为０．２６ｅＶ．本工作首次利用ＤＬＴＳ测定了量子点空穴的基态能级和俘获势垒,相信对增加量子点性质的理解会起到有益的帮助     

InAs/GaAs量子点材料和激光器

介绍了近年来长波长InAsG/aAs量子点材料的生长、结构性质和量子点激光器的研究进展。     

Stacking number dependence of size distribution of vertically stacked InAs/GaAs quantum dots

Vertically stacked layer structure is useful for controlling the size distribution of quantum dots. The dependence of the size distribution of quantum dots on the stacking numbers is theoretically and experimentally investigated. We show that the size distribution of quantum dots decreases with increasing the stacking number, and it occurs drastically when the stacking number is changed from 1 to 2. The quantitative analysis on in-plane strain energy distribution is also performed for the explanation.     

InAs自组织生长量子点的电子俘获势垒

成功地用深能级瞬态谱（ＤＬＴＳ）研究了ＩｎＡｓ自组织生长的量子点电学性质，获得２．５原子层ＩｎＡｓ量子点电子基态能级在ＧａＡｓ导带底下约０．１３ｅＶ，该量子点在荷电状态发生变化时伴随有晶格弛豫，对应俘获势垒为０．３２ｅＶ．本工作也证明可以把量子点类比深中心进行研究．     

Electronic coupling and structural ordering of quantum dots using InAs quantum dot columns

In this article, recent investigations of vertically aligned quantum dot columns conducted at Stanford University are reviewed. The quantum dots are InAs in a matrix of GaAs. Both the quantum dots and quantum dot columns are formed through strain-induced islanding, without lithography. Two aspects of these columns are discussed. First, the electronic coupling of quantum dots within columns of up to ten quantum dots is demonstrated. The coupling is adjusted and improvements to a simple light-emitting diode are shown. Second, increased uniformity of a surface quantum dot layer is shown when a subsurface layer of these columns are used. The most impressive results occur when the columns contain a large number of islands. Reduced variations in average ensemble height and diameter, called size uniformity, and average nearest neighbor distances, called structural uniformity, are shown. A surface unit cell of islands is demonstrated and the lack of a surface lattice is discussed.     

Self‐Assembled InAs Quantum Dots on InP(001) for Long‐Wavelength Laser Applications

Self‐assembled InAs quantum dots (QDs) embedded in an InAlGaAs matrix were grown on an InP (001) using a solid‐source molecular beam epitaxy and investigated using transmission electron microscopy (TEM) and photoluminescence (PL) spectroscopy. TEM images indicated that the QD formation was strongly dependent on the growth behaviors of group III elements during the deposition of InAlGaAs barriers. We achieved a lasing operation of around 1.5 µm at room temperature from uncoated QD lasers based on the InAlGaAs‐InAlAs material system on the InP (001). The lasing wavelengths of the ridge‐waveguide QD lasers were also dependent upon the cavity lengths due mainly to the gain required for the lasing operation.     

Effects of GaAs-spacer strain on vertical ordering of stacked InAs quantum dots in a GaAs matrix

Vertical ordering in stacked layers of InAs/GaAs quantum dots is currently the focus of scientific research because of its potential for optoelectronics applications. Transmission electron microscopy was applied to study InAs/GaAs stacked layers grown by molecular-beam-epitaxy with various thicknesses of GaAs spacer. Thickness dependencies of quantum dot size and their ordering were observed experimentally and, then, compared with the results of strain calculations based on the finite element method. The vertical ordering did occur when the thickness of the GaAs spacer was comparable with the dot height. The ordering was found to be associated with relatively large InAs dots on the first layer. Quantum dots tend to become larger in size and more regular in plane with increasing numbers of stacks. Our results suggest that the vertical ordering is not only affected by strain from the InAs dots on the lower layer, but by total strain configuration in the multi-stacked structure.