Indium phosphide quantum dots in GaP and in In 0.48 Ga 0.52 P
Creators: name: Hatami, Fariba
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2002
Subjects: subject: III-V Quantenpunkte
subject: Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie
subject: InP/GaP
subject: InP/InGaP
subject: III-V Quantum dots
subject: Gas-source molecular-beam epitaxy
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie
subject: UP 3150

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurden selbstorganisierte, verspannte InP-Quantenpunkte mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Die Quantenpunkte wurden sowohl in InGaP-Matrix gitterangepasst auf GaAs-Substrat als auch in GaP-Matrix auf GaP-Substrat realisiert. Die starke Gitterfehlanpassung von 3,8% im InP/InGaP- bzw. 7,7% im InP/GaP-Materialsystem ermöglicht Inselbildung mittels des Stranski-Krastanow-Wachstumsmodus: Ab einer kritischen InP-Schichtdicke findet kein zweidimensionales, sondern ein dreidimensionales Wachstum statt. Die kritische Schichtdicke wurde mit etwa 3 Monolagen für das InP/InGaP- und mit etwa 1,8 Monolagen für das InP/GaP-System bestimmt. Die strukturellen Untersuchungen zeigen, dass InP Quantenpunkte in GaP im Vergleich zu solchen in InGaP größer sind und stärker zum Abbau von Verspannung tendieren. Die in InGaP-Matrix eingebettete InP-Quantenpunkte zeigen sehr ausgeprägte optische Emissionen, die, in Abhängigkeit von den Wachstumsparametern, im Bereich von 1,6 bis 1,75eV liegen. Die Emissionslinie wird der strahlenden Rekombination von in den Quantenpunkten lokalisierten Elektronen und Löchern zugeordnet. Dies wird auch durch das Bänderschema bestätigt, das mit Hilfe der Model-Solid-Theorie modelliert wurde. Darüber hinaus weist die Lebensdauer der Ladungsträger von einigen hundert Pikosekunden darauf hin, dass die InP/InGaP Quantenpunkte vom Typ I sind. Zusätzlich zu den optischen Eigenschaften wurde die Anordnung von dicht gepackten InP-Quantenpunkten in und auf InGaP mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation der Daten aus der Atomkraftmikroskopie, Transmissionelektronmikroskopie und diverser Röntgen-Streuexperimente untersucht sowie die planaren und vertikale Ordnungseffekte der Quantenpunkte studiert. Die Untersuchungen zeigen, dass die Ordnung der Quantenpunkte sowohl hinsichtlich ihrer Packungsdichte als auch ihrer Orientierung mit wachsender InP-Bedeckung zunimmt. Darüber hinaus wurde die Verspannungsverteilung in den InP/InGaP-Quantenpunkten mit Hilfe von diffuser Röntgen-Streuung in Verbindung mit kinematischen Simulationen studiert und eine asymmetrische Form der Quantenpunkte festgestellt, die auch Ursache für die gemessene Polarisationsanisotropie der Photolumineszenz sein kann. Die in GaP-Matrix eingebetteten InP-Quantenpunkte wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich auf ihre aktiven optischen Eigenschaften hin untersucht. Sie zeigen eine optische Emission zwischen 1,9 und 2 eV im sichtbaren Bereich. Diese strahlende Rekombination wird ebenfalls dem direkten Übergang zwischen Elektronen- und Löcherzuständen zugeordnet, die in den InP Quantenpunkten lokalisiert sind. Auch Photolumineszenzmessungen unter mechanischem Druck weisen darauf hin, dass es sich in diesem System hauptsächlich um einen direkten räumlichen Übergang handelt. Dieses Ergebnis wird dadurch untermauert, dass die Lebensdauer der Ladungsträger im Bereich von etwa 2 ns liegt, was nicht untypisch für Typ-I-Systeme ist. Die Ergebnisse für zweidimensionale, in GaP eingebettete InP-Schichten zeigen im Gegensatz zu den Quantenpunkten, dass die strahlende Rekombination in InP/GaP Quantentöpfen aufgrund eines indirekten Übergangs (sowohl in Orts- als auch in Impulsraum) zwischen Elektronen- und Löcherzuständen erfolgt. Die optischen Emissionslinien liegen für Quantentöpfe im Bereich von 2,15 bis 2,30eV. Die nachgewiesene sehr lange Lebensdauer der Ladungsträger von etwa 20ns weist weiter darauf hin, dass die Quantentöpfe ein Typ-II-System sind. Nach Modellierung des Bänderschemas für das verspannte InP/GaP-System und Berechnung der Energieniveaus von Löchern und Elektronen darin mit Hilfe der Effektive-Masse-Näherung in Abhängigkeit von der InP-Schichtdicke zeigt sich ferner, dass für InP-Quantentöpfe mit einer Breite kleiner als 3nm die Quantisierungsenergie der Elektronen so groß ist, dass der X-Punkt in GaP energetisch tiefer liegt als der Gamma-Punkt in InP. Dieser Potentialverlauf führt dazu , dass die Elektronen im X-Minimum des GaP lokalisieren, während die Löcher in der InP-Schicht bleiben. Optische Untersuchungen nach thermischer Behandlung der Quantenpunkte führen sowohl im InP/InGaP- als auch im InP/GaP-System zur Verstärkung der Lumineszenz, die bis zu 15 mal internsiver als bei unbehandelten Proben sein kann. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass InP-Quantenpunkte durch ihre optischen Eigenschaften sehr interessant für optoelektronische Anwendungen sind. Die Verwendung von durchsichtigem GaP (mit einer größeren Bandlücke und kleineren Gitterkonstante im Vergleich zu GaAs und InGaP) als Matrix und Substrat hat nicht nur den Vorteil, dass die InP-Quantenpunkte hierbei im sichtbaren Bereich Licht emittieren, sondern man kann in der Praxis auch von einer hochentwickelten GaP-basierten LED-Technologie profitieren. Hauptergebnis dieser Arbeit ist, dass die in indirektes GaP eingebetteten InP-Quantenpunkte aktive optische Eigenschaften zeigen. Sie können daher als aktive Medien zur Realisierung neuartiger effizienter Laser und Leuchtdioden verwendet werden.
description: The growth and structural properties of self-assembled InP quantum dots are presented and discussed, together with their optical properties and associated carrier dynamics. The QDs are grown using gas-source molecular-beam epitaxy in and on the two materials InGaP (lattice matched to GaAs) and GaP. Under the proper growth conditions, formation of InP dots via the Stranski-Krastanow mechanism is observed. The critical InP coverage for 2D-3D transition is found to be 3ML for the InP/ InGaP system and 1.8ML for the InP/GaP system. The structural characterization indicates that the InP/GaP QDs are larger and, consequently, less dense compared to the InP/ InGaP QDs; hence, InP dots on GaP tend to be strain-relaxed. The InP/ InGaP QDs tend to form ordered arrays when InP coverage is increased. Intense photoluminescence from InP quantum dots in both material systems is observed. The PL from InP/GaP QDs peaks between 1.9 and 2 eV and is by about 200 meV higher in energy than the PL line from InP/ InGaP QDs. The optical emission from dots is attributed to direct transitions between the electrons and heavy-holes confined in the InP dots, whereas the photoluminescence from a two-dimensional InP layer embedded in GaP is explained as resulting from the spatially indirect recombination of electrons from the GaP X valleys with holes in InP and their phonon replicas. The type-II band alignment of InP/GaP two-dimensional structures is further confirmed by the carrier lifetime above 19 ns, which is much higher than in type-I systems. The observed carrier lifetimes of 100-500 ps for InP/ InGaPQDs and 2 ns for InP/GaP QDs support our band alignment modeling. Pressure-dependent photoluminescence measurements provide further evidence for a type-I band alignment for InP/GaP QDs at normal pressure, but indicate that they become type-II under hydrostatic pressures of about 1.2 GPa and are consistent with an energy difference between the lowest InP and GaP states of about 31 meV. Exploiting the visible direct-bandgap transition in the GaP system could lead to an increased efficiency of light emission in GaP-based light emitters.