InAs自組織量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有零維電子特性，它不僅成為基本物理研究的重要對(duì)象，也成為研制新一代量子器件的基礎(chǔ)。正因如此，量子點(diǎn)材料及器件成為目前國際上最前沿的研究課題之一。GaAs基InAs自組織量子點(diǎn)因其成本低廉、器件工藝成熟，成為替代InP基材料、制備光纖通信用1.3-1.55μm發(fā)光激光器的熱門材料之一。本文采用分子束外延技術(shù)制備了高質(zhì)量的GaAs基InAs自組織量子點(diǎn)材料。利用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、變溫及時(shí)間分

2、辨的光致發(fā)光譜(PL)等手段，分別研究了InGaAs應(yīng)變層(指在InGaAs層上生長量子點(diǎn)，下同)、InGaAs蓋層、InGaAs/InAlAs聯(lián)合蓋層、InGaAs/GaAs量子阱和多層生長等多種結(jié)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)材料光學(xué)性質(zhì)的影響，取得了以下主要結(jié)果： 1.原子力顯微鏡(AFM)測量結(jié)果表明，與在GaAs層上直接生長InAs量子點(diǎn)相比，引入In0.1Ga0.9As應(yīng)變層，可以有效地釋放量子點(diǎn)中的應(yīng)變，使量子點(diǎn)的密度顯著增大。當(dāng)In

3、As淀積厚度較小時(shí)，量子點(diǎn)連在一起，形成了具有強(qiáng)烈耦合效應(yīng)的量子點(diǎn)串結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致量子點(diǎn)PL峰強(qiáng)烈紅移，室溫發(fā)光波長達(dá)到1.3μm以上。 2.首次系統(tǒng)研究了量子點(diǎn)發(fā)光壽命與量子點(diǎn)的密度、尺寸以及溫度變化的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在溫度低于50K時(shí)，量子點(diǎn)的發(fā)光壽命基本不隨溫度變化；高于50K，發(fā)光壽命隨著溫度升高首先增加，溫度升高到某一特定溫度TC后，開始減小。我們認(rèn)為，量子點(diǎn)發(fā)光壽命同時(shí)由內(nèi)在因素和外在因素決定，其中內(nèi)因主要是指輻

4、射復(fù)合，而外因包括載流子熱發(fā)射、遷移、非輻射復(fù)合等。決定量子點(diǎn)輻射復(fù)合壽命的根本因素是量子點(diǎn)內(nèi)電子-空穴躍遷振子強(qiáng)度：即躍遷振子強(qiáng)度越大，其輻射復(fù)合壽命越小，反之亦然。不同量子點(diǎn)之間載流子波函數(shù)的交疊，減弱了激子的相干性使量子點(diǎn)發(fā)光壽命增大，同時(shí)也增強(qiáng)了載流子從尺寸較小量子點(diǎn)到尺寸較大量子點(diǎn)的遷移過程。這也是導(dǎo)致量子點(diǎn)發(fā)光壽命具有不同的尺寸效應(yīng)的根本原因：當(dāng)量子點(diǎn)密度較小時(shí)，發(fā)光壽命隨量子點(diǎn)尺寸增大而減??；而當(dāng)量子點(diǎn)密度較大時(shí)，發(fā)光壽命

5、隨量子點(diǎn)尺寸增大而增大。隨著溫度進(jìn)一步升高，從勢壘層及浸潤層弛豫到量子點(diǎn)中的載流子數(shù)目增加及載流子在不同量子點(diǎn)中的遷移與擴(kuò)展，導(dǎo)致量子點(diǎn)發(fā)光壽命增大。當(dāng)溫度高于TC時(shí)，熱發(fā)射、非輻射復(fù)合導(dǎo)致量子點(diǎn)發(fā)光壽命隨著溫度升高而減小。 3.采用變溫光致發(fā)光譜和時(shí)間分辨譜等手段，系統(tǒng)地研究了InGaAs/InAlAs蓋帽層對(duì)GaAs基多層InAs量子阱的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)發(fā)光特性的影響。發(fā)現(xiàn)多層生長的方法可以改善量子點(diǎn)尺寸的均勻性，提高InAs量子

6、點(diǎn)材料發(fā)光的溫度穩(wěn)定性。InGaAs蓋帽層使多層生長量子點(diǎn)具有更長的發(fā)光波長和更窄的譜線，是由于載流子在不同量子點(diǎn)間的遷移效應(yīng)減弱。利用InGaAs/InAlAs聯(lián)合蓋帽層可以更有效地緩沖量子點(diǎn)中的應(yīng)力和抑制In組分的偏析，使InAs量子點(diǎn)的發(fā)光進(jìn)一步向長波移動(dòng)(窒溫1337nm)。同時(shí)，聯(lián)合蓋帽層可以提高量子點(diǎn)對(duì)載流子的限制勢壘，提高量子點(diǎn)的發(fā)光效率。 4.研究發(fā)現(xiàn)，在InGaAs/GaAs量子阱中生長InAs量子點(diǎn)樣品，可以

7、同時(shí)具有應(yīng)變層和蓋帽層的優(yōu)點(diǎn)，更有效地緩沖InAs量子點(diǎn)中的應(yīng)力，提高量子點(diǎn)的生長質(zhì)量，從而可以在室溫下探測到較強(qiáng)的發(fā)光信號(hào)。與直接在GaAs襯底或者在InGaAs應(yīng)變層上生長相比，阱中生長模式可以使發(fā)光向長波長移動(dòng)(窒溫達(dá)到1318nm)，半高寬減小(最大的半高寬為38meV，最小的半高寬只有25meV)。 5.通過在InAs/GaAs量子點(diǎn)上覆蓋GaAs/InAs短周期超晶格，獲得了室溫發(fā)光波長在1.48μm的發(fā)光材料，該發(fā)