InAs-(In)GaAs量子點(diǎn)島的光電性能與微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、自組裝InAs量子點(diǎn)島是一種在半導(dǎo)體光電子、微電子、量子調(diào)控等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用的低維半導(dǎo)體材料。近年來(lái)，隨著量子通訊研究在全世界范圍內(nèi)的廣泛開展，含有InAs量子點(diǎn)島的共振隧穿二極管(QD-RTD)被發(fā)現(xiàn)有能力探測(cè)單個(gè)光子。
　　本文以InAs/(In)GaAs/AlAs QD-RTD單光子探測(cè)器為應(yīng)用背景，從相關(guān)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，利用分子束外延設(shè)備進(jìn)行了材料的生長(zhǎng)和微觀結(jié)構(gòu)的分析，目的在于提升InAs量子點(diǎn)島基單光子探測(cè)器的

2、探測(cè)靈敏度。論文的主要內(nèi)容包括：
　　在InAs/GaAs(100)量子點(diǎn)島材料體系中，研究了In增原子的遷移長(zhǎng)度及InAs覆蓋度對(duì)InAs量子點(diǎn)島的形貌及光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較長(zhǎng)的In增原子遷移長(zhǎng)度降低會(huì)量子點(diǎn)島密度，增大量子點(diǎn)島體積并使量子點(diǎn)島的熒光波長(zhǎng)紅移。利用增加In增原子遷移能力的方法，在InAs覆蓋度為2.0的條件下，實(shí)現(xiàn)了室溫下接近1.3μm的量子點(diǎn)島的光致發(fā)光。InAs覆蓋度對(duì)量子點(diǎn)密度影響強(qiáng)烈，在超過(guò)臨

3、界轉(zhuǎn)變厚度后，量子點(diǎn)島密度迅速增加并達(dá)到飽和。利用這一現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)島密度的大幅度調(diào)控。
　　同時(shí)，本文嘗試了在GaAs(311) B這一高密勒指數(shù)襯底表面上外延生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)島的方法，以優(yōu)化量子點(diǎn)島尺寸均勻性，提高器件工作穩(wěn)定性。對(duì)比在GaAs(311) B和(100)表面生長(zhǎng)的InAs量子點(diǎn)島，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在GaAs(311) B表面上外延生長(zhǎng)的InAs島狀納米結(jié)構(gòu)的尺寸均勻性明顯優(yōu)于在（100）表面上生長(zhǎng)的InAs量子點(diǎn)

4、島。通過(guò)工藝優(yōu)化，InAs量子點(diǎn)島的多模尺寸分布現(xiàn)象被抑制，InAs量子點(diǎn)島的尺寸均勻性明顯提高。其光致發(fā)光半峰寬僅為17meV。
　　為保證器件中InAs/InGaAs結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量生長(zhǎng)，進(jìn)一步研究了在InGaAs應(yīng)變層上生長(zhǎng)的InAs量子點(diǎn)島的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和光學(xué)性能。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，InGaAs層起到應(yīng)變積累作用，這與人們的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)相悖。由于InGaAs應(yīng)變層的應(yīng)變積累導(dǎo)致量子點(diǎn)島臨界轉(zhuǎn)變厚度降低，使得在很低 InAs覆蓋度條件下即

5、形成量子點(diǎn)島。此外，高分辨 X射線衍射和光致發(fā)光譜測(cè)試均表明，在 In組分較高的InGaAs應(yīng)變層上生長(zhǎng) InAs量子點(diǎn)島時(shí)，即使在 InAs覆蓋度較低的情況下，InAs量子點(diǎn)島依然非常容易弛豫。
　　在對(duì)InAs/InGaAs量子阱中量子點(diǎn)島（Dots-in-a-well, DWELL）的結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能研究中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下，GaAs(311) B表面生長(zhǎng)的DWELL結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光半峰寬僅為在 GaAs(100)表面的一半

6、，表明結(jié)合高指數(shù)襯底表面外延生長(zhǎng)與制備 DWELL結(jié)構(gòu)這兩種方法，即生長(zhǎng)高指數(shù)表面的DWELL結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高 InAs量子點(diǎn)島的尺寸均勻性。但進(jìn)一步的深入研究發(fā)現(xiàn)：隨測(cè)試溫度升高，在 GaAs(311) B表面生長(zhǎng)的DWELL的熒光強(qiáng)度下降更快。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明GaAs(311) B表面生長(zhǎng)的InAs量子點(diǎn)島適用于低溫工作的半導(dǎo)體光電器件。另外，本文成功將InAs量子點(diǎn)島生長(zhǎng)于RTD的雙勢(shì)壘中，并通過(guò)掠入射 X射線反射測(cè)試發(fā)現(xiàn)其降低