面向低維量子器件的自組裝InAs量子點(diǎn)的MOCVD生長(zhǎng)及性能研究.pdf

1、自組裝InAs量子點(diǎn)電子和空穴在三維方向上均受到限制，表現(xiàn)出量子化的電子態(tài)和高的輻射復(fù)合效率，在基礎(chǔ)物理和新型的光電子器件中具有重要的研究意義和應(yīng)用前景，實(shí)現(xiàn) InAs量子點(diǎn)與微腔的強(qiáng)耦合，不僅能在目前的通信領(lǐng)域注入活力，更為未來量子信息技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)快速高效安全的量子通信奠定基礎(chǔ)；而在高效電池結(jié)構(gòu)中引入量子點(diǎn)，可以有效改善電池的溫度特性，抗輻照性能及提升電池效率。然而，不同的研究方向和應(yīng)用對(duì)于 InAs量子點(diǎn)的要求如密度、分布、發(fā)光

2、波長(zhǎng)等不盡相同。基于此，我們通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)對(duì)GaAs和Ge襯底上自組裝InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)及性能進(jìn)行了深入的研究，獲得了不同密度需求的量子點(diǎn)器件。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)MOCVD所涉及的InAs量子點(diǎn)的各個(gè)生長(zhǎng)條件，如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)壓力、氣體流量、生長(zhǎng)時(shí)間、源引入次序等進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，在 GaAs(001)襯底上通過大范圍的調(diào)節(jié)InAs生長(zhǎng)的V/III比條件，達(dá)到對(duì)量子點(diǎn)的沉積量、原子表面遷移長(zhǎng)度、表面能等

3、的調(diào)控，獲得了密度從105~1010cm-2的InAs量子點(diǎn)，這種方式對(duì)于不同密度要求的量子點(diǎn)的生長(zhǎng)具有非常好的重復(fù)性和可控制性，對(duì)單個(gè) InAs量子點(diǎn)進(jìn)行變溫光致發(fā)光研究，得到的單量子點(diǎn)激活能Ea為93.05meV，量子點(diǎn)Varshni系數(shù)α為9.7×10-4eV/K，β為548K。⑵在MOCVD中InAs量子點(diǎn)的最佳生長(zhǎng)溫度范圍為490~530℃，而GaAs蓋層的最佳生長(zhǎng)溫度區(qū)間為600~700℃之間，為避免在升溫過程中InAs量子

4、點(diǎn)形貌尺寸等發(fā)生急劇變化而影響量子點(diǎn)性能，基于低溫脈沖原子層沉積方式可以提高Ga原子遷移和降低GaAs中的缺陷，我們發(fā)展了一種低溫脈沖原子層沉積聯(lián)立高溫連續(xù)生長(zhǎng)的兩步生長(zhǎng)GaAs蓋層的方法，該方法相對(duì)于傳統(tǒng)連續(xù)生長(zhǎng)方式，可以有效的改善量子點(diǎn)的發(fā)光特性。⑶基于GaAs(001)襯底，制備了空氣橋結(jié)構(gòu)的InAs量子點(diǎn)與L3腔耦合器件，對(duì)InAs量子點(diǎn)與L3腔的相互作用進(jìn)行了初步探索，獲得的含InAs量子點(diǎn)的空氣橋結(jié)構(gòu)的L3腔Q值為203。⑷

5、極性材料GaAs在非極性Ge襯底上外延時(shí)會(huì)出現(xiàn)反相疇，并且在GaAs/Ge界面極易出現(xiàn)由互擴(kuò)散引起的自動(dòng)摻雜效應(yīng)。在此，我們利用Al-As的高鍵能特性，采用AlGaAs的插入層，在9°偏角Ge(001)襯底上成功的抑制了GaAs中反相疇的形成以及Ge在GaAs中的擴(kuò)散。⑸成功制備了含量子點(diǎn)的GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池，在1000倍聚光下電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)33.91％，在量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中加入GaInAs應(yīng)力減緩層，電池短路