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。     

InAs/GaAs量子点激光器结温研究

对利用气源分子束外延(GSMBE)技术生长的InAs/GaAs量子点激光器的工作结温进行了研究,结温的测试是基于量子点激光器的温度升高会导致Fabry-Perot(F-P)腔的腔模移动.在20℃脉冲工作模式下,当脉冲注入电流的占空比从1%变化到准连续波(95%),InAs/GaAS量子点激光器的结温升高了23.9℃,在相同的测试条件下,商用量子阱激光器的结温仅升高了3.5℃.InAs/GaAs量子点激光器的结温比商用量子阱激光器的结温升高了6.8倍,这是影响激光器性能的一个重要参数.     

(113)B和(100)面InAs/GaAs量子点光致发光光谱特性研究

利用分子束外延技术在(100)和(113)B GaAs衬底上进行了有/无AlAs盖帽层量子点的生长,测量了其在4～100 K温度区间的PL光谱。通过对PL光谱的积分强度、峰值能量和半高宽进行分析进而研究载流子的热传输特性。无AlAs盖帽层的(113)B面量子点的PL光谱的热淬灭现象可以由载流子极易从量子点向浸润层逃逸来解释。然而,有AlAs盖帽层的(113)B量子点的PL热淬灭主要是由于载流子进入了量子点与势垒或者浸润层界面中的非辐射中心引起的。并且其PL的温度依存性与利用Varshni定律计算的体材料InAs的温度依存性吻合很好,表明载流子通过浸润层进行传输受到了抑制,由于AlAs引起的相分离机制(113)B量子点的浸润层已经消失或者减小了。(100)面有AlAs盖帽层的PL半高宽的温度依存性与无AlAs盖帽层的量子点大致相同,表明在相同外延条件下相分离机制在(100)面上不如(113)B面显著。     

利用多层堆垛InAs/GaAs量子点结构实现1.3μm光致发光

在GaAs衬底上用分子束外延分别生长了单层和五层垂直堆垛的InAs/GaAs量子点结构.室温光致发光实验表明,五层堆垛结构较单层结构的发光峰位红移180nm,实现了1.3μm发光.结合透射电镜分析,多层堆垛量子点材料发光的显著红移是由于量子点层间应力耦合导致的上层量子点体积增大以及各量子点层间的能态耦合.     

利用多层堆垛InAs/GaAs量子点结构实现1.3μm光致发光

在GaAs衬底上用分子束外延分别生长了单层和五层垂直堆垛的InAs/GaAs量子点结构.室温光致发光实验表明,五层堆垛结构较单层结构的发光峰位红移180nm,实现了1.3μm发光.结合透射电镜分析,多层堆垛量子点材料发光的显著红移是由于量子点层间应力耦合导致的上层量子点体积增大以及各量子点层间的能态耦合.     

InGaAs/GaAs量子点红外探测器

与量子阱红外探测器相比,量子点红外探测器具有不制作表面光栅就能在垂直入射红外光照射下工作以及工作温度更高等优势。然而,目前阻碍量子点红外探测器性能提高的技术瓶颈主要来自组装量子点较差的大小均匀性、较低的量子点密度以及垂直入射下子带跃迁吸收效率低等原因。利用分子束外延技术研究了如何从量子点材料生长和器件设计两方面来克服这些困难,并且制作了几种不同结构的InGaAs/GaAs量子点红外探测器。 在77 K时,这些器件在垂直入射条件下观察到了很强的光电流信号。     

GaAs/AlGaAs多量子阱激光器

用国产的分子束外延设备生长出多量子阱激光器结构,在室温下,其宽接触阈电流密度为3000A/cm~2,质子轰击条形器件单管最佳阈值电流为128mA,单面连续输出功率可大于22mw,在一定注入范围内可单纵模工作,最高单面微分量子效率达34％,激射波长在8590～8640埃之间,远场光强分布呈单峰,在室温附近的特征温度T_o为202K.对外延材料和器件的初步研究表明,AlGaAs材料特别是掺杂的AlGaAs材料质量不理想是导致激光器阈电流密度不够低的可能原因.     

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.     

应变自组装InAs/GaAs量子点材料与器件光学性质研究

采用MBE技术生长应变自组装InAs/GaAs量子点微结构材料,以这种纳米尺度微结构材料作有源层制备出激光二极管.研究了材料的光致发光和器件电致发光的特性.条宽为100μm、腔长为1.6mm,腔面未经镀膜的量子点激光二极管,室温下最大光功率输出为2.74W.     

应变自组装InAs/GaAs量子点材料与器件光学性质研究

采用MBE技术生长应变自组装InAs/GaAs量子点微结构材料,以这种纳米尺度微结构材料作有源层制备出激光二极管.研究了材料的光致发光和器件电致发光的特性.条宽为100μm、腔长为1.6mm,腔面未经镀膜的量子点激光二极管,室温下最大光功率输出为2.74W.     

Optical properties and structure of InAs quantum dots in near-infrared band

The InAs quantum dots (QDs) grown by molecular beam epitaxy (MBE) are studied as a function of growth temperature at a specific InAs coverage of 2.7 ML. The QDs density is significantly reduced from 8.0 × 1010 to 5.0 × 109 cm-2 as the growth temperature increases from 480℃ to 520℃, while the average QDs diameter and height becomes larger. The effects of the growth temperature on the evolution of bimodal QDs are investigated by combining atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL). Results show that the formation of the bimodal QDs depends on the growth temperature: at a growth temperature of 480℃,large QDs result from the small QDs coalition; at a growth temperature of 535℃, the indium desorption and InAs segregation result in the formation of small QDs.     

InGaAs/GaAs量子阱中自组装InAs量子点的光学性质

在InGaAs/GaAs量子阱中生长了两组InAs量子点样品,用扫描电子显微镜(SEM)测量发现,量子点呈棱状结构,而不是通常的金字塔结构,这是由多层结构的应力传递及InGaAs应变层的各向异性引起的.采用变温光致发光谱(TDPL)和时间分辨谱(TRPL)研究了其光致发光稳态和瞬态特性.研究发现,InGaAs量子阱层可以有效地缓冲InAs量子点中的应变,提高量子点的生长质量,可以在室温下探测到较强的发光峰.在量子阱中生长量子点可以获得室温下1 318 nm的发光,并且使其PL谱的半高宽减小到25 meV.     

分子束外延InAs量子点的RHEED实时原位分析

介绍了利用反射式高能电子衍射(RHEED)方法在自组装InAs量子点制备过程中进行结构分析的理论研究与实验工作的最新进展。从反射式高能电子衍射在InAs量子点临界转变状态测定、量子点表面取向、量子点应力分布测定、量子点形核长大动力学过程研究等方面的应用,可以看出RHEED在InAs量子点形成过程中对多种结构特征的原位分析具有突出优势。反射式高能电子衍射仪作为分子束外延系统中的标准配置,已成为一种对InAs量子点微观结构进行分析的简易而理想的分析测试工具。随着反射式高能电子衍射以及衍射理论的进一步发展,必将促进InAs量子点结构的精确表征水平的提高,进而实现更加理想结构的InAs量子点的制备及其应用。     

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.     

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.     

Nano-engineering approaches to self-assembled InAs quantum dot laser medium

A number of nano-engineering methods are proposed and tested to improve optical properties of a laser gain medium using the self-assembled InAs quantum dot (QD) ensemble. The laser characteristics of concern include higher gain, larger modulation bandwidth, higher efficiency at elevated temperatures, higher thermal stability, and enhanced reliability. The focus of this paper is on the management of QD properties through design and molecular beam epitaxial growth and modification of QD heterostructures. This includes digital alloys as high-quality wide-bandgap barrier; under- and overlayers with various compositions to control the dynamics of QD formation and evolution on the surface; shape engineering of QDs to improve electron-hole overlap and reduce inhomogeneous broadening; band engineering of QD heterostructures to enhance the carrier localization by reduction of thermal escape from dots; as well as tunnel injection from quantum wells (QWs) to accelerate carrier transfer to the lasing state. Beneficial properties of the developed QD media are demonstrated at room temperature in laser diodes with unsurpassed thermal stability with a characteristic temperature of 380 K, high waveguide modal gain >50 cm⁻¹, unsurpassed defect tolerance over two orders of magnitude higher than that of QWs typically used in lasers, and efficient emission from a two-dimensional (2-D) photonic crystal nanocavity.     

Deep level electronic structure of ZnSe/GaAs heterostructures

We performed 1—2 keVcathodoluminescence measurements and He-Ne and HeCd excited photoluminescence studies of ZnSe/GaAs( 100) heterostructures grown by molecular beam epitaxy. Our goal was to investigate the deep level electronic structure and its connection with the heterojunction band offsets. We observed novel deep level emission features at 0.8, 0.98, 1.14, and 1.3 eV which are characteristic of the ZnSe overlayer and independent in energy of overlayer thickness. The corresponding deep levels lie far below those of the near-bandedge features commonly used to characterize the ZnSe crystal quality. The relative intensity and spatial distribution of the deep level emission was found to be strongly affected by the Zn/Se atomic flux ratio employed during ZnSe growth. The same flux ratio has been shown to influence both the quality of the ZnSe overlayer and the band offset in ZnSe/GaAs heterojunctions. In heterostructures fabricated in Se-rich growth conditions, that minimize the valence band offset and the concentration of Se vacancies, the dominant deep level emission is at 1.3 eV. For heterostructures fabricated in Zn-rich growth conditions, emission by multiple levels at 0.88,0.98, and 1.14 eV dominates. The spectral energies and intensities of deep level transitions reported here provide a characteristic indicator of ZnSe epilayer stoichiometry and near-interface defect densities.     

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。     

InAs/GaAs自组装量子点结构的能带不连续量

为确定异质结界面带阶,结合光致发光(PL)谱和深能级瞬态谱(DLTS)测量结果,利用有效质量近似理论,计算得到了InAs/GaAs自组装量子点结构的能带不连续量,其中导带不连续量ΔEc＝0.97 eV,价带不连续量ΔEv＝0.14 eV.