半导体量子点的发光性质研究

0 引言

半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构，它在信息技术领域发挥着重要作用。光致发光谱（PL）、深能级瞬态谱（DLTS）已经成为研究零维量子点系统的载流子动力学和发光机制的重要手段。浸润层在载流子转移过程中扮演了重要的角色[1]，由量子点的低温光致发光谱和时间分辨谱[2]，可以观测浸润层发光，它直接影响着量子点的发光性能。近年来，人们发现InAs/GaAs材料自组织量子点可以在红外波段（如1.3μm等）发光[3]，另外将InAs/GaAs自组织量子点用InGaAs外延层覆盖或将其直接生长在InGaAs外延层中也可以实现长波长发光。InAs/GaAs自组织量子点被InGaAs覆盖后，用其他方法如停顿、退火以及在低温外延层上生长等所产生的发光波长调节现象存在多种物理机制，可能是覆盖层使量子点界面应力减小，或抑制了其中In的偏析。另外In组分高的InGaAs也容易在InAs量子点上形成尺寸较大的岛状结构，诸多因素都可能使量子点的发光波长变化。

1 实验

生长实验设备为VGV80HMKII型分子束外延（MBE）系统。外延样品所用基片为半绝缘GaAs（100）衬底。首先生长InAs/GaAs量子点结构，外延层包括0.5μmGaAs缓冲层，生长温度600℃；然后降温至450℃，淀积2mL的InAs（形成自组织量子点），再覆盖3nm的InxGa1－xAs层，其中In组分x值分别为0、0.1、0.2、0.3（1～4号样品）；最后生长50nm的GaAs保护层。随后生长3个In0.5Ga0.5As/GaAs自组织量子点结构，分别采用（InAs）n/（GaAs）n 原子层交替生长的方法（n ＝ 1、1.5、2 mL），总厚度为16 mL，覆盖层采用In0.2Ga0.8As。其他外延层结构与1 ～ 4 号样品相同。所有样品GaAs 的生长速率为1μm／h， InAs 为0.1μm／h，As 压维持在1 × 10 －3 Pa左右。

光致发光谱测量采用波长为514.5 nm的H离子激光器作为激发光源，激发功率约为1 mW。荧光信号用Ge探测器收集记录。样品架安装于液氦闭循环系统中，使得测试温度可以从10 K以下到室温之间变化。

2 结果与讨论

图1 给出了10 K 温度下1 ～ 4 号量子点样品光荧光峰强度随波长的变化。随x值的增大，量子点的发光峰明显红移。特别对x＝ 0.3 的样品，发光峰红移到1.1μm附近。图1 中的插图还给出了各样品发光谱积分强度和半高宽随In 组分（x）的变化。可以看出，随x值增大，光谱的积分强度总的趋势是增加，而半高宽却减小。如对于x＝ 0（即用GaAs 作为覆盖层）的样品，其发光峰半高宽是62 meV，而用x＝ 0.2 的InxGa1 － xAs 作覆盖层的量子点样品发光峰半高宽己经减小到了36 meV。此外对于x＝ 0.3 的样品，其发光峰半高宽较x＝ 0.2样品略有增加（约为40 meV）。



结果显示用InGaAs 外延层覆盖InAs/GaAs 自组织量子点后，其发光峰产生了明显的红移现象。主要原因是由于InGaAs 覆盖层减小了InAs 岛所承受的应力，从而改变了InAs 量子点能级的位置。利用一个简单的模型来计算应变的变化对量子点能级所产生的影响：先计算InxGa1 － xAs 盖层（即x≥0.1）引起的量子点的能量移动，然后减掉GaAs 盖层（x＝ 0）引起的量子点的能量移动，便可得出InxGa1 － xAs 盖层引起的量子点发光峰相对GaAs （x＝ 0）盖层的移动。以x＝ 0.2 为例，假设量子点是球形，根据H.Saito 等人[4]的研究结果，量子点（球）内应变分量和压强分别是


式中： eγγ、eγθ、eθφ、eφγ是量子球内应变分量；p是压强；λ和μ是Lame常数，对计算没有影响；α是InAs 与In0.2 Ga0.8 As 的晶格常数之比（1.056 5）。因此，对应于导带和价带的能量改变ΔEc 和Ev 值分别是



式中ac，v是InAs 的形变势。取ac＝ － 5.08 Ev，av ＝ 1 Ev，则得到ａ ＝ （ac － av） ＝ － 6.08 Ev，于是求得覆盖层材料引起的量子点（球）内能级的移动为



式中ΔE 是InAs 岛周围由InGaAs 覆盖层产生应变场后引起的能量移动，同样的方法计算GaAs 覆盖层引起的能量移动，得到



于是由式（4）和（5）得出量子点发光峰能量的红移幅度为88 meV。由PL 谱的测量结果己知x＝ 0.2的样品，其PL 峰相对x＝ 0 样品移动了71 meV，这与上面的计算结果是基本相符的。亦可对x＝ 0.1 的样品和x＝0.3 的样品作类似估算，结果如图2 所示。



由此看出，理论值与实验值存在一些误差，这是由于存在其他因素的影响，如InGaAs 抑制了In的偏析，造成量子点发光峰红移。另外，在样品中，InGaAs 的厚度只有3 nm，有些量子点未被完全盖住，这也会造成一定误差。但可以肯定，在该结构中，应力的改变是引起能量移动的一个主要原因。 
众所周知，在InAs/GaAs 量子点结构生长中，总存在In 向GaAs 盖层的扩散问题，这是破坏其均匀性的重要因素，同时In 的偏析也改变了量子点的能级分布[5]。对于用InGaAs 外延层覆盖InAs 量子点[6]，由于生长过程中In 元素直接来自源炉，抑制了In 的偏析现象，而PL 谱测试结果所显示的半高宽的减小，主因就是InGaAs 盖层阻止了InAs岛中In 的偏析，保持了InAs 量子点的形状。

此外， x＝0.3 的量子点发光峰半高宽比x＝0.2的样品发光峰半高宽有所增加，可以认为这主要是由于用较大In 组分的InGaAs 外延层覆盖InAs ／GaAs 量子点，导致了量子点结构的不均匀性。继续淀积InGaAs 外延层，将在InAs 岛的上面形成加大的岛状结构，同时造成InAs 岛所受应力不均匀，导致量子点的不均匀性。

为全面了解所生长的自组织量子点发光性能，对样品进行了变温PL 谱测量。图3 是不同温度下各样品的PL 峰值变化。



显然，随着温度的升高， x＝ 0.1、0.2、0.3 的3 种量子点样品其发光峰红移的幅度比x＝ 0 的量子点样品有所减小，特别是对于x＝ 0.2、0.3 的样品，这种变化较为明显，而x＝ 0.2、0.3 样品发光峰红移的幅度近似相同。

借助对x＝ 0 样品所提出的热激活与热迁移模型，对此可作以下解释：在量子点系统中，量子点中的激子波函数有较大的交迭，使得整个系统成为一个耦合系统，量子点中的载流子可发生相互扩散和转移。当温度升高时，载流子的热运动和电声子相互作用，使不同量子点之间载流子相互转移的概率大大增加，促使高能级的载流子向低能级转移，这便是x＝ 0 样品发光峰随温度超常红移的主要原因。基于以上分析，当量子点的尺寸均匀性较好时，其发光能量随温度的变化亦将明显减小。在x≥0.1的样品中，由于InGaAs 抑制了In 的偏析而使得InAs 量子点的尺寸趋于均匀，根据热激活与热迁移模型，不难理解这必然使得发光能量随温度的变化减小，可见量子点均匀性的变化是上述实验现象的主要原因。

而对于x＝ 0.2、0.3 的样品受温度的影响原因一样。仅从InGaAs 抑制In 偏析来看，x＝ 0.3 的样品量子点应该比x＝ 0.2 时均匀，但InGaAs 在原来的InAs 量子点上成岛而不是均匀覆盖，使得量子点所受应力不是均匀分布。整体看来，x＝ 0.3 时量子点的均匀性较x＝ 0.2 时并没有很大改观，导致二者PL 峰值随温度变化基本一致，这也与前面PL 谱测量中x＝ 0.3 样品比x＝ 0.2 样品的发光峰半高宽略有增加一致。因此，根据热激活与热迁移模型，可以认为量子点尺寸均匀性的变化是导致InGaAs 抑制量子点发光峰红移的主要原因。

根据实验结果的分析可以得出结论：InxGa1 － xAs覆盖层不仅使自组织量子点结构发光波长红移，而且还改善了其均匀性。其中用In0.2 Ga0.8 As 做覆盖层效果最佳。但也看出其红移幅度还没有达到理想的1.3μm波段，因此必须结合其他方法来增加发光波长的红移幅度。采用进一步减小自组织量子点的In 组分的方法，即直接生长In0.5 Ga0.5 GaAs 量子点，同时选用In0.2 Ｇａ0.8 As 做覆盖层。可以看出按照不同单原子层厚度（n ＝ 1.0、1.5、2.0）交替生长的（InAs）n/（GaAs）n 量子点样品均实现了1.3μm波长发光，这首先说明这种方法具有很好的稳定重复性。而其中采用（InAs）1/（GaAs）1 交替生长方法获得的量子点其发光效率最高，半峰宽仅为19.2 meV，是目前最好的实验结果。

3 结论

利用PL 谱测试并结合理论计算方法研究了用InxGa1 － xAs （0≤ x≤0.3）覆盖的InAs/GaAs 量子点结构的发光特性，发现InGaAs 覆盖层减小了InAs/GaAs 量子点的应力，导致量子点发光峰的红移现象。量子点发光峰半高宽的减小则是由于InGaAs抑制了InAs 岛中In 的偏析，保持了InAs 量子点的形状，改善了量子点的均匀性，抑制了InAs 量子点发光峰随温度升高而红移的幅度。同时，调低自组织量子点的In 组分，最终可以进一步将发光峰红移至1.3μm波段，以获得高发光效率的In0.5Ga0.5As/GaAs自组织量子点为激光器等应用奠定基础。

进一步实验可以得出，量子点的发光具有准二维特性，即低温下（低于40 K）量子点的PL 积分强度和光生载流子寿命不变；中间温度区（40 ～160 K），载流子寿命随温度升高而增大[7]，这是由于量子点结构特性所决定的，与组成量子点的材料没有直接的关系。