[論文レビュー] Fine-tunable near-critical Stranski-Krastanov growth of InAs/InP quantum dots

Yury Berdnikov, Paweł Holewa+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2023

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、InAs/InP量子ドットのための微調整可能な臨界付近のStranski-Krastanov成長法を提案し、V/III比と成長中止時間の調整により、表面密度（10⁷–10⁹ cm⁻²）とサイズを独立して制御可能であることを示した。この手法により、低密度で孤立したQDアンサンブルが得られ、発光波長は通信Cバンド（1500–1585 nm）に位置し、スケーラブルな量子フォトニクス素子にとって重要である。

ABSTRACT

Emerging applications of self-assembled semiconductor quantum dot (QD)-based nonclassical light sources emitting in the telecom C-band (1530 to 1565 nm) present challenges in terms of controlled synthesis of their low-density ensembles, critical for device processing with an isolated QD. This work shows how to control the surface density and size of InAs/InP quantum dots over a wide range by tailoring the conditions of Stranski-Krastanow growth. We demonstrate that in the near-critical growth regime, the density of quantum dots can be tuned between $10^7$ and $10^{10} cm^{-2}$. Furthermore, employing both experimental and modeling approaches, we show that the size (and therefore the emission wavelength) of InAs nanoislands on InP can be controlled independently from their surface density. Finally, we demonstrate that our growth method gives low-density ensembles resulting in well-isolated QD-originated emission lines in the telecom C-band.

研究の動機と目的

• 単一光子発生源の応用に適した低密度・孤立型InAs/InP量子ドットアンサンブルを合成する課題に対処すること。
• 従来のStranski-Krastanov成長法では一般的に高密度QDアレイが得られ、単一QDデバイス統合に不適切であるという制限を克服すること。
• 臨界核生成領域（h ≈ h_c）を探索し、サイズ分散が小さく、調整可能な低表面密度QD形成を実現すること。
• 発光波長とデバイス適合性を正確に設計可能とするために、QD表面密度とサイズの独立した制御を実証すること。

提案手法

• 分子ビームエpitaxy（MBE）を用いて、臨界付近のStranski-Krastanov条件下でInAs/InP量子ドットを成長させる。
• InAs成長中のV/III比を調整することで、QDの表面密度を制御し、2から100の範囲で変化させる。
• 成長中止時間の調整により、QDサイズ（高さ）を制御する。これにより、密度に顕著な変化を伴わせずにStranski-Krastanov島成長を実現する。
• 成長パラメータとQDの形状および光学的性質の相関関係を明らかにするために、in-situおよびex-situの評価（TEM、μPL、macro-PL）を実施する。
• nextnanoソフトウェアを用いた八バンドk·pモデルを適用し、測定されたPLピークエネルギーから湿潤層の厚さと組成を推定する。
• アニール処理中にInAs/InP界面でAsとPの原子が相互拡散することを活用し、QDの組成および発光波長のさらなる調整を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界付近Stranski-Krastanov成長領域において、InAs/InP量子ドットの表面密度を微調整可能か？
• RQ2 成長中止タイミングの制御により、表面密度に依存せずにQDサイズをどれほど独立して制御できるか？
• RQ3 臨界付近領域が、通信Cバンドで単一光子発生に適した低密度・孤立型QDアンサンブルの形成を可能にするか？
• RQ4 V/III比と成長中止時間の変化が、PL分光法から推定される湿潤層の厚さと組成にどのように影響するか？

主な発見

• V/III比を2から100に変化させることで、QD表面密度を2×10⁷ cm⁻²から1×10⁹ cm⁻²に微調整可能であった。
• 成長中止時間（4–600 s）の調整により、0.8 ML InAs被覆時におけるQD高さを11 nmから170 nmに制御可能であり、表面密度の変化は最小限に抑えられた。
• 5 KでのμPL測定により、1500–1585 nmの範囲に良好に分離された単一QD発光ラインが観測され、通信Cバンドでの動作が確認された。
• マクロ-PLでは、成長中止時間が延長するに従い、湿潤層ピークが約1.07 eVから約1.17 eVに赤方シフトし、湿潤層の薄型化が示された。
• PLピークエネルギー測定とk·pモデルから、V/III ≥ 5では湿潤層厚さが約4 MLで飽和することが示され、完全被覆状態と整合的であった。
• V/III < 5の領域では、PLピークエネルギーが高エネルギー側にシフトし、湿潤層厚さが減少（約2 MLまで）またはAs含有量が低下していることが示唆され、QD密度の低下と相関した。