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由于量子点内部的载流子运动三维受限,使得其具有很多独特的特性,如量子尺寸效应、量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞和良好的非线性光学效应等。采用量子点作为激光器的有源区时,理论上其阈值电流将不再受到温度的影响。因此,二十多年来,量子点一直是半导体材料领域的一个重要研究方向。对于InAs/GaAs量子点结构来说,不仅具备量子点的诸多优点,同时还具备比较小的带隙,因而可以在不掺入其它元素的前提下实现光通信1.3μm发光,另外通过引入异变外延生长等手段可以将其发光波长扩展至1.5μm波段。
目前,量子点多采用S-K自组织生长模式,这使得量子点的均匀性和空间分布很难控制。而且InAs/GaAs量子点主要由生长机理简单、生长速率低的分子束外延(MBE)生长,而对于本文采用的金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术来说,量子点的生长控制更加困难。
本论文是在实验室InAs/GaAs量子点前期MOCVD生长的基础上,通过降低InAs/GaAs量子点的生长速率,探索低速生长下不同的生长参数对于InAs量子点的影响情况。具体的研究内容如下:
1.掌握了量子点自组织生长的热力学、动力学机制。对于自组织量子点中的关键问题如临界厚度、量子点的密度、In-Ga互混效应、Ostwald熟化等有了比较清晰的认识。
2.将InAs量子点的生长速率降至0.04ML/s和0.02ML/s,系统地探索了不同的生长参数,如沉积厚度、Ⅴ/Ⅲ比、生长暂停、overgrowth层生长速率对于量子点的质量的影响。实验上发现:量子点低速生长,可以提高量子点的均与性;沉积厚度控制非常关键,随着沉积厚度的增加发光波长红移,但是当沉积厚度超过4.0ML后,量子点质量迅速恶化;增大Ⅴ/Ⅲ比,量子点发光波长红移,但较高的Ⅴ/Ⅲ比(如20)则会导致量子点的发光强度急剧降低。
3.实验上低速生长得到了室温下发光的中心波长为1248nm,半高宽为36mev的InAs/GaAs量子点样品。其生长条件为:InAs量子点的生长温度为500℃,InAs量子点生长速率为0.04ML/s,Ⅴ/Ⅲ比为10,InAs量子点的沉积厚度为2.4ML。
4.采用0.04ML/s作为InAs量子点的生长速率,成功制备了三层量子点结构。三层量子点结构中,InAs量子点的沉积厚度为2.6ML,得到的PL谱测试结果为:中心发光波长为1186nm、半高宽为50mev。但是这个结构下我们发现表面出现大的位错,因此应力累积比较严重。
5.由此我们引入GaAsP应变减少层来减少多层量子点中的应力累积。采用0.03ML/s作为InAs量子点的生长速率,分别制备了插入GaAsP应变减少层的三层、五层量子点,其沉积厚度均为2.0ML。得到三层量子点的PL谱测试结果为:中心发光波长为1068nm、半高宽为60mev。得到五层量子点的PL谱测试结果为:中心发光波长为1062nm、半高宽为66mev。并且表面没有明显的位错出现。