InAs/GaAs quantum dot nanostructures: deep levels and optical properties

Abstract

In this thesis, the optical, electrical and structural properties of self-assembled InAs/GaAs quantum dots (QDs) have been investigated. These nanostructures can be utilized to enhance the characteristics of several applications including lasers, optical detector structures, amplifiers and flash memories. Furthermore, QDs are promising candidates for single photon and single electron devices, which are expected to be building blocks for quantum computing and quantum cryptography in the future. The samples investigated in this study, were grown by molecular beam epitaxy (MBE). Two types of InAs QDs (surface and embedded QDs) were studied. The quantum dots were investigated by means of atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy, photoluminescence spectroscopy, deep level transient spectroscopy and by capitance-voltage measurements . Variation of the amount of deposited InAs was utilized to control the optical and electrical properties of QDs. When the amount of InAs was increased from 1 monolayer (ML) to 2 ML, a transition from a thin InAs wetting layer (WL) to three dimensional InAs QDs was observed by AFM. Deposition above critical thickness for the formation of relaxed QDs, i.e. 3 ML InAs QDs, resulted in large InAs clusters. /Kir10

Kvanttipisteet muodostavat diskreettejä energiatiloja, jotka ovat samankaltaisia kuin vapailla atomeilla esiintyvät energiatilat. Kvanttipisterakenteilla muokataan erilaisten elektronisten ja optoelektronisten komponenttien ja sovellusten ominaisuuksia. Työssä tutkittiin itsejärjestäytyneiden InAs/GaAs –kvanttipisteiden optisia, sähköisiä ja rakenteellisia ominaisuuksia. Tutkittavat näytteet kasvatettiin kiinteälähteisillä molekyysuihkuepitaksia –reaktoreilla. Vahvasti n-tyyppiseksi seostetun GaAs(100) kasvualustan päälle kasvatettiin aluksi GaAs:sta koostuva muutaman sadan nanometrin paksuinen puskurikerros. Tämän jälkeen GaAs puskurikerroksen päälle kasvatettiin muutamaa atomikerrosta vastaava määrä InAs:ia, josta muodotui InAs –kvanttipisteistä koostuva ohut kerros. Kasvatetun InAs:in määrää vaihdeltiin eri näytteiden välillä yhdestä atomikerroksesta kolmeen atomikerrokseen. Tämän jälkeen InAs –kerros peitettiin muutaman sadan nanometrin paksuisella GaAs –kerroksella. Lopuksi näytteen päälle kasvatettiin InAs –kvanttiipistekerros käyttäen samoja kasvatusparametreja kuin peitettyjen kvanttipisteiden kasvatuksessa oli käytetty. Kasvatetut GaAs –kerrokset saostettiin piillä matalasti n-tyyppisiksi. Näytteen pinnalle kasvatettujen kvanttipisteiden rakenteellisia ominaisuuksia tutkittiin atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja läpivalaisuelektronimikroskoopilla (TEM). Optisia ominaisuuksia tutkittiin mittaamalla näytteen fotoluminesenssia (PL). Näytteistä prosessoitiin myös Scottky –diodeja sähköistä karakterisointia varten. Sähköisiä ominaisuuksia tutkittiin kapasitanssi-jännite –mittauksilla (C-V) ja syvien tilojen transienttispektroskopialla (DLTS).