温度和应变对InAs量子点荧光光谱的影响

宿星亮,樊磊磊

(山西大学 物理电子工程学院,山西 太原 030006)

0 引言

在目前半导体自组装量子点的制备工艺中,分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)已经发展为最成熟的技术手段[1-2]。虽然MBE和MOCVD的生长工艺有很大区别,但是半导体自组装量子点的形成原因都是材料之间的应力驱动[3]。随着对半导体材料的深入研究和量子点生长工艺的不断完善,量子点已开始用于器件的制作,在其使用过程中不可避免地会遇到各种环境要求,如高温焊接,位置固定,集成组装等,这将对量子点的性能产生一定的影响。学者对该问题保持着持续的关注和研究。1992年,Grilli等人研究了砷化镓(GaAs)带隙与温度的关系,并通过实验观察到不同温度下GaAs的光致发光(PL)谱[4]。2005年,汤乃云等人采用有效质量模型和非线性弹性理论，计算了不同尺寸InAs/GaAs量子点的静压光谱发光峰的压力系数,得出InAs/GaAs量子点峰位随压力的变化主要是由于禁带宽度和电子束缚能随压力改变而产生的[5]。2005年,马宝珊等人对大尺寸InAs/GaAs量子点的静压光谱进行研究,采用非弹性理论分析得出体系内的失配应变与弹性系数随着压力的变化会发生改变[6]。2006年,Romanov等人提出应力可以在硼族氮化物半极性层诱导极化,进一步影响半导体材料的结构,导致材料的发光光谱发生变化[7]。2010年,李林等人从InAs/GaAs量子点材料的生长入手,发现In组分的变化可实现对低应变层的调节,从而拓展InAs量子点的发光波长,降低光谱线宽,改善材料的光学性质[8]。2016年,王中林等人研究了GaN/InGaN量子阱结构的压电光电子学效应,发现对样品施加应变之后,量子阱结构对应的PL谱的强度降低[9]。综上所述,前人主要分析了外加温度、静水压力和材料组分等对InAs/GaAs量子点光学性质的影响,但对样品发生形变后光学性质的研究少之又少,而在量子点器件的加工过程中样品形变是难以避免的,因此研究量子点样品在发生形变后的光学性质具有重要的科研价值。

本文对由MBE工艺生长而成的InAs量子点样品进行了实验研究,利用原子力显微镜对InAs量子点样品的表面形貌进行测试,随后测量了样品在不同温度、不同激发功率下的PL谱,最后对样品施加了0.5%的应变后研究了PL谱变化,得到了不同条件下的光谱变化规律。

1 实验方案

实验所用样品是在GaAs衬底上采用MBE生长工艺制备的InAs量子点。样品结构如图1所示,首先在GaAs(100)衬底上生长24对AlGaAs/GaAs结构,每种结构厚度为λ/4,其中λ代表InAs量子点发射荧光的波长,约为940 nm。随后,开始沉积InAs量子点层,生长温度为525℃,生长速率为0.005 mL/s。然后生长5对AlGaAs/GaAs结构,与前面的共同构成一个微腔,以此来提高InAs量子点的发光效率和荧光收集率,最后生长一层50 nm的GaAs[10-11]。

样品的表面形貌通过使用HITACHI-5100N原子力显微镜进行表征。

随后,将样品放入液氮恒温器内,采用HORIBA LabRaman HR Evolution系统进行荧光光谱测试,选用三丰100倍红外物镜,在750～1 000 nm范围内获取荧光谱线。所用的激发光源为532 nm单频连续激光器,激发功率为30 mW,采集时间为10 s。

实验中使用金刚石对样品施加应变,对液氮恒温器中的冷却台进行改造,在其中部固定金刚石。将样品置于冷却台金刚石上方,样品两侧使用胶水与冷却台面固定,使样品中部产生微弱的形变,达到应变施加的目的。测量样品中部与两端高度,用样品中部的升高值与样品长度的比值来表征所施加的应变量。

Fig.1 Schematic diagram of the structure of InAs quantum dot图1 InAs量子点样品的结构示意图

2 结果与讨论

2.1 InAs量子点的原子力显微镜图像

首先,利用原子力显微镜测试了样品的表面形貌,如图2所示。图2(a)为InAs量子点样品的原子力显微镜图像,图2(b)为该区域对应的三维图像。由图可知,样品表面存在大量的量子点,平均高度为20 nm左右。

Fig.2 (a) Atomic force microscope image of the InAs quantum dot; (b) Corresponding 3D image图2 (a) InAs量子点的原子力显微镜图像;(b) 对应的三维图像

对InAs量子点样品的AFM图像分析,得出量子点的尺寸统计图,如图3所示。从图中可以看出,量子点的尺寸主要集中在50～200 nm,少数量子点尺寸较大,约为400 nm和600 nm。

Fig.3 Size statistics of InAs quantum dots图3 InAs量子点的尺寸统计图

Fig.4 Photoluminescence spectrum of the InAs quantum dot图4 InAs量子点的PL谱图

Fig.5 Photoluminescence spectrum of the InAs quantum dot in the range of 910～1 000 nm图5 InAs量子点在910～1 000 nm范围内的PL谱图

2.2 InAs量子点的PL光谱

图4所示为InAs量子点样品在100.95 K时的PL谱,激发功率为80 μW,红色曲线为拟合的曲线。由图中可以观察到827 nm和878 nm处有明显的单峰,分别为衬底和浸润层发光谱线。在930～970 nm范围内存在一些孤立的单峰,所以我们重新测量了样品在910～1 000 nm范围内的PL谱(图5),结合原子力显微镜图像和InAs量子点的尺寸统计图我们可以看出,光谱测试区域分布着不同尺寸大小的量子点结构,由于量子点尺寸对其PL谱线有影响,所以图中会出现几个孤立的单峰。

2.3 测量温度对InAs量子点的PL谱的影响

我们研究了测试温度对样品PL谱的影响。图6为不同温度下,InAs量子点样品的PL谱线的图像,表1是样品PL谱峰位和归一化强度的统计结果。由图6可以观察到随着测量温度的增加,衬底、浸润层和量子点对应的PL谱发生微弱的红移,而谱线的强度也在逐渐降低。图7为量子点PL谱的放大图像。从图中可以看出,在160K时,量子点对应的峰值强度有了明显的回升,然后又逐渐降低。

Fig.6 Photoluminescence spectrum of InAs quantum dot at different temperatures图6 InAs量子点在不同温度下的PL谱图

Fig.7 Photoluminescence spectrum of InAs quantum dot at different temperatures in the range of 920～1 000 nm图7 InAs量子点在不同温度下的PL谱图(920～1 000 nm)

表1 样品PL谱的峰位与归一化强度

从半导体结构考虑,温度通过热膨胀效应和电子-声子散射效应引起材料的能带结构发生改变,导致谱线发生微弱的红移。另一方面,温度升高会引起InAs量子点能级中载流子浓度降低,使得其对应的PL谱线强度降低,主要包括以下4种可能的机制:(1)辐射重组引起载流子辐射;(2)热激发导致载流子进入InAs浸润层;(3)热激发导致载流子进入GaAs势垒层;(4)非辐射复合过程中,载流子被缺陷捕获或者载流子发生散射。在温度升高的过程中,以上4种机制可能单独或者同时发生,改变载流子的浓度。从150 K升温到160 K的过程中,上述4种机制可能只有一种发生,导致160 K时的载流子浓度稍大于150 K的,对应的PL谱强度会出现回升的现象。同样推理分析,在170 K时,可能出现其对应的载流子浓度大于150 K的,但小于160 K的,此时的PL谱强度就会降低[12-13]。

2.4 激发功率对InAs量子点PL谱的影响

我们测试了110 K下激发功率对样品PL谱的影响。图8为不同激发功率下InAs量子点样品在PL谱线变化情况,表2是不同激发功率下样品PL谱峰位与归一化强度的统计结果。由图可知随着激发功率的增加,样品对应的PL谱的峰位无明显变化,但强度逐渐升高。图9为低激发功率下的谱线放大图。在InAs/GaAs自组装半导体量子点中,随着激发功率的增加,价带中越来越多的电子弛豫到导带,价带中的空穴和导带中的电子越来越多,形成更多的电子-空穴对,电子-空穴对辐射出的光子也就越多,所以光谱强度会增加[14]。

2.5 应变对InAs量子点PL谱的影响

通过自制加载装置,我们在样品上实现了0～0.5%的应变。图10为InAs量子点样品在不同应变下的PL谱图,测试温度为110 K,激发功率为80 μW。红色曲线表示没有施加应变情况下的PL谱线,蓝色曲线表示对样品施加应变后的PL谱线。由图分析可以得出,施加应变之后,对样品的整体PL谱线均有较为明显的影响。GaAs衬底对应的谱线发生微弱的红移(由844 nm移至848 nm),其谱线强度有明显的增强。而浸润层对应的谱线峰位无明显变化,但谱线的强度明显增加。图11为量子点部分PL谱放大图,量子点对应的谱线发生微弱的蓝移(由960 nm移至956 nm),其谱线强度降低。一方面,应变会引起量子点样品的带隙变宽,导致量子点的PL谱线发生蓝移[15-16]。另一方面,对样品施加应变后,由于压电效应,会在InAs与GaAs层之间产生极化电荷,随着极化电荷的累积,会形成极化电场,导致InAs/GaAs的能带发生倾斜,电子空穴波函数会发生相对位移,量子点的发光效率就会降低,量子点对应的谱线强度降低。而衬底和浸润层是单层材料,只会在两者的接触面产生极化电荷,导致载流子数量增加,其谱线强度增强。

Fig.8 Photoluminescence spectrum of InAs quantum dot at different excitation powers (T=110 K)图8 InAs量子点在T=110 K,不同激发功率下的PL谱图

Fig.9 Magnified view of InAs quantum dot’s photoluminescence spectrum at different excitation powers图9 InAs量子点部分PL谱线的放大图

表2 样品PL谱的峰位与归一化强度

Fig.10 Photoluminescence spectrum of InAs quantum dot at different strains (T=110 K)图10 InAs量子点在T=110 K、不同应变下的PL谱图

Fig.11 Photoluminescence spectrum of InAs quantum dot at different strains in the range of 920～1 000 nm图11 InAs量子点在T=110 K、不同应变下的PL谱图(920～1 000 nm)

3 结论

本文以InAs量子点为研究对象,测试了不同条件下PL谱变化规律。针对量子点使用中所处环境的变化,如温度、激发功率,特别是应变条件下的光谱变化进行了实验研究,发现随着测试温度的升高,样品谱线整体发生微弱的红移且光谱强度逐渐降低。随着激发功率的提高,样品的PL谱线的位置发生轻微的改变,但是谱线强度明显增加。在对样品施加应变后,衬底对应的PL谱线峰位发生微弱的红移,强度增强,而量子点对应的谱线发生微弱的蓝移,其发光强度降低。