[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种可调节的近临界Stranski-Krastanov生长方法，用于InAs/InP量子点，通过调节V/III比和生长中断时间，实现对表面密度（10⁷–10⁹ cm⁻²）和尺寸的独立控制。该方法可获得低密度、孤立的量子点阵列，其发光波长位于通信C波段（1500–1585 nm），对可扩展的量子光子器件至关重要。

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.

研究动机与目标

• 解决合成低密度、孤立的InAs/InP量子点阵列以用于单光子发射器的挑战。
• 克服传统Stranski-Krastanov生长方法的局限性，后者通常产生高密度量子点阵列，不适用于单量子点器件集成。
• 探索近临界成核区域（h ≈ h_c），以实现可调谐、低表面密度的量子点形成，且尺寸分散度小。
• 展示对量子点表面密度和尺寸的独立控制，从而实现发射波长和器件兼容性的精确工程化。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）在近临界Stranski-Krastanov条件下外延生长InAs/InP量子点。
• 通过调节InAs沉积过程中的V/III比（范围为2至100），调控量子点的表面密度。
• 通过后沉积生长中断时间控制量子点尺寸（高度），该方法可在表面密度基本不变的情况下实现Stranski-Krastanov岛状生长。
• 利用原位和非原位表征手段（TEM、μPL、宏PL）关联生长参数与量子点形貌及光学性能。
• 在nextnano软件中采用八带k·p模型，根据测得的PL峰能量估算润湿层厚度和组分。
• 利用退火过程中InAs/InP界面处As与P原子的互扩散，进一步调节量子点组分和发射波长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近临界Stranski-Krastanov生长区域中，能否对InAs/InP量子点的表面密度实现精细调节？
• RQ2 通过调控生长中断时间，量子点尺寸在多大程度上可实现与表面密度的独立控制？
• RQ3 近临界区域是否能够实现低密度、孤立的量子点阵列，适用于通信C波段的单光子发射？
• RQ4 V/III比和生长中断时间的变化如何影响润湿层厚度和组分，该推断基于PL光谱分析？

主要发现

• 通过将V/III比从2调节至100，成功将量子点表面密度从2×10⁷ cm⁻²调控至1×10⁹ cm⁻²。
• 生长中断时间（4–600 s）使0.8 ML InAs覆盖下的量子点高度从11 nm调节至170 nm，且表面密度变化极小。
• 在5 K下进行的μPL测量显示，在1500–1585 nm范围内存在清晰分离的单量子点发射峰，证实了通信C波段工作。
• 宏PL结果显示，随着生长中断时间增加，润湿层峰发生红移，从~1.07 eV移动至~1.17 eV，表明润湿层变薄。
• PL峰能量测量与k·p建模结果表明，当V/III ≥ 5时，润湿层厚度趋于饱和（约4 ML），与完全覆盖一致。
• 当V/III < 5时，PL峰发生蓝移，表明润湿层厚度减小（低至~2 ML）或As组分降低，与量子点密度降低相关。