InAs自组织量子点的光学性质研究

【摘要】： 由于半导体量子点具有零维电子特性，它不仅成为基本物理研究的重要对象，也成为研制新一代量子器件的基础。正因如此，量子点材料及器件成为目前国际上最前沿的研究课题之一。GaAs基InAs自组织量子点因其成本低廉、器件工艺成熟，成为替代InP基材料、制备光纤通信用1.3－1.55μm发光激光器的热门材料之一。本文采用分子束外延技术制备了高质量的GaAs基InAs自组织量子点材料。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、变温及时间分辨的光致发光谱（PL）等手段，分别研究了InGaAs应变层（指在InGaAs层上生长量子点，下同）、InGaAs盖层、InGaAs/InAlAs联合盖层、InGaAs/GaAs量子阱和多层生长等多种结构对量子点材料光学性质的影响，取得了以下主要结果： 1.原子力显微镜（AFM）测量结果表明，与在GaAs层上直接生长InAs量子点相比，引入In_(0.1)Ga_(0.9)As应变层，可以有效地释放量子点中的应变，使量子点的密度显著增大。当InAs淀积厚度较小时，量子点连在一起，形成了具有强烈耦合效应的量子点串结构，这种结构的变化导致量子点PL峰强烈红移，室温发光波长达到1.3μm以上。 2.首次系统研究了量子点发光寿命与量子点的密度、尺寸以及温度变化的关系。发现在温度低于50 K时，量子点的发光寿命基本不随温度变化；高于50 K，发光寿命随着温度升高首先增加，温度升高到某一特定温度T_C后，开始减小。我们认为，量子点发光寿命同时由内在因素和外在因素决定，其中内因主要是指辐射复合，而外因包括载流子热发射、迁移、非辐射复合等。决定量子点辐射复合寿命的根本因素是量子点内电子－空穴跃迁振子强度：即跃迁振子强度越大，其辐射复合寿命越小，反之亦然。不同量子点之间载流子波函数的交叠，减弱了激子的相干性使量子点发光寿命增大，同时也增强了载流子从尺寸较小量子点到尺寸较大量子点的迁移