inasin)gaas量子点岛的光电性能与微结构研究-study on photoelectric properties and microstructure of in asin ) gaas quantum dot island.docx

摘要摘要自组装InAs量子点岛是一种在半导体光电子、微电子、量子调控等领域均有重要应用的低维半导体材料。近年来，随着量子通讯研究在全世界范围内的广泛开展，含有InAs量子点岛的共振隧穿二极管(QD-RTD)被发现有能力探测单个光子。本文以InAs/(In)GaAs/AlAsQD-RTD单光子探测器为应用背景，从相关器件结构优化设计入手，利用分子束外延设备进行了材料的生长和微观结构的分析，目的在于提升InAs量子点岛基单光子探测器的探测灵敏度。论文的主要内容包括：在InAs/GaAs(100)量子点岛材料体系中，研究了In增原子的迁移长度及InAs覆盖度对InAs量子点岛的形貌及光学性能的影响。实验结果表明，较长的In增原子迁移长度降低会量子点岛密度，增大量子点岛体积并使量子点岛的荧光波长红移。利用增加In增原子迁移能力的方法，在InAs覆盖度为2.0的条件下，实现了室温下接近1.3μm的量子点岛的光致发光。InAs覆盖度对量子点密度影响强烈，在超过临界转变厚度后，量子点岛密度迅速增加并达到饱和。利用这一现象，实现了量子点岛密度的大幅度调控。同时，本文尝试了在GaAs(311)B这一高密勒指数衬底表面上外延生长InAs量子点岛的方法，以优化量子点岛尺寸均匀性，提高器件工作稳定性。对比在GaAs(311)B和(100)表面生长的InAs量子点岛，实验发现在GaAs(311)B表面上外延生长的InAs岛状纳米结构的尺寸均匀性明显优于在（100）表面上生长的InAs量子点岛。通过工艺优化，InAs量子点岛的多模尺寸分布现象被抑制，InAs量子点岛的尺寸均匀性明显提高。其光致发光半峰宽仅为17meV。为保证器件中InAs/InGaAs结构的高质量生长，进一步研究了在InGaAs应变层上生长的InAs量子点岛的生长动力学和光学性能。在实验中发现，InGaAs层起到应变积累作用，这与人们的传统认识相悖。由于InGaAs应变层的应变积累导致量子点岛临界转变厚度降低，使得在很低InAs覆盖度条件下即形成量子点岛。此外，高分辨X射线衍射和光致发光谱测试均表明，在In组分较高的InGaAs应变层上生长InAs量子点岛时，即使在InAs覆盖度较低的情况下，InAs量子点岛依然非常容易弛豫。在对InAs/InGaAs量子阱中量子点岛（Dots-in-a-well,DWELL）的结构与光学性能研究中，实验发现在低温条件下，GaAs(311)B表面生长的DWELL结构的光致发光半峰宽仅为在GaAs(100)表面的一半，表明结合高指数衬底表面外延生长哈尔滨工业大学博士学位论文与制备DWELL结构这两种方法，即生长高指数表面的DWELL结构可以进一步提高InAs量子点岛的尺寸均匀性。但进一步的深入研究发现：随测试温度升高，在GaAs(311)B表面生长的DWELL的荧光强度下降更快。上述实验现象说明GaAs(311)B表面生长的InAs量子点岛适用于低温工作的半导体光电器件。另外，本文成功将InAs量子点岛生长于RTD的双势垒中，并通过掠入射X射线反射测试发现其降低了AlAs上势垒的界面平整度。同时，通过升温生长AlAs上势垒的方法，可以实现在保证InAs量子点岛结构不被破坏的基础上，实现界面平整度大幅度优化。关键词：InAs量子点岛；生长动力学；临界转变厚度；光电性能；高指数；界面粗糙度AbstractAbstractSelf-assembledInAsquantumdots(QDs)havebeenintensivelystudiedduetotheirimportantapplicationinoptical-electrics,micro-electrics,quantummanipulate.Inrecentyears,itwasfoundthatseveralsemiconductordevicescontainInAsQDswerecapableofdetectingsinglephoton.However,detailinformationaboutthematerialanddevicecharacteristicsonthedeviceperformanceisnotavailable.OptimizedmaterialgrowthanddevicestructuresareclearlyneededtofullyexploitthepotentialofInAsQDsbasedsinglephotondetectors.Inthisdissertation,thematerialgrowthanddevicestructurerelevanttotheInAsQDbasedresonanttunnelingdiode(RTD)werest