调制掺杂异质结内嵌InAs量子点材料光电特性研究

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自组装InAs量子点具有生长工艺简单、光学性能优异、易于与Ⅲ-Ⅴ化合物半导体器件集成等显著优点,在新型量子器件的研制中受到了广泛关注。在基于InAs量子点的光电器件研究中,HEMT内嵌InAs量子点结构是一个重要的应用方向,相关器件在量子存储、单光子探测、单电子与自旋器件等领域已展现出了很大的发展潜力。目前,对于HEMT内嵌量子点结构器件的研究仍处于初级探索阶段,器件性能还远未达到实用化水平。为提高器件的性能,在物理机制上进一步探讨二维电子气与内嵌InAs量子点间的交互作用具有重要意义。本文首先研究了偏角衬底上生长InAs量子点的动力学机制,随后研究了AlGaAs/GaAs HEMT内嵌InAs量子点材料的光学性质和输运特性。论文主要研究内容包括:  1.在GaAs(100)偏[010]6°衬底上进行了InAs/GaAs和InAs/AlAs量子点材料生长。原子力显微测量结果表明,偏角衬底上形成的InAs/GaAs量子点相比GaAs(100)衬底量子点尺寸均匀性明显提高,同时量子点尺寸变小、密度略有增加。但偏角衬底上生长的InAs/AlAs量子点密度非常低,相比GaAs(100)衬底上形成的量子点密度下降了近两个数量级,并出现了一些特大尺寸的量子点。  2.采用分子束外延技术生长了AlGaAs/GaAs界面与InAs量子点距离不同的系列样品,研究了异质结界面处二维电子气对量子点光学性质的影响。实验结果表明,量子点光致发光峰发生明显蓝移,蓝移量随二维电子气与量子点层间距离的缩短而增大,我们认为这是由于隧穿电子的能带填充效应引起的。同时发现,临近二维电子气的量子点具有更加优异的温度稳定性。变温光荧光测试结果表明,AlGaAs/GaAs势阱中的电子可以对量子点中热逃逸的电子形成有效补充,从而抑制了量子点中电子的热淬灭过程。  3.系统地研究了内嵌InAs量子点对2-DEG输运特性的影响。实验结果表明,载流子浓度随2-DEG与量子点距离的减小而降低,同时电子迁移率迅速下降。随后基于几何相位分析算法对样品的高分辨透射电镜图像进行了处理,得到了其应变分布图。结果表明,应变主要分布在量子点的周围,并延伸到了量子点的上方。通过计算AlGaAs/GaAs势阱的能带分布,说明了当量子点距离界面40nm时应变区域仍与导电沟道存在交叠。因此,内嵌量子点引入的非均匀分布应力场应是除库伦散射外引起电子迁移率恶化的另一个重要因素。  
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