Self-assembled nanorings and stressor quantum dots

Abstract

In this thesis, the main focus is in the fabrication and characterization of self-assembled III-V compound semiconductor nanostructures. The samples were fabricated by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). Atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) measurements were used to examine surface morphology and optical characteristics of the samples, respectively.

Quantum dot (QD) heterostructures are typically realized by embedding self-assembled islands in a matrix of another semiconductor material with a higher band gap. In this work, however, islands were used as stressors on top of a near-surface quantum well (QW) to induce three-dimensional potential enclosures into the QW. These QD structures are known as strain-induced QDs (SIQDs) or stressor QDs. Firstly, a new material system utilizing InAs stressor islands to create strain-induced InGaAs(P)/InP QDs was demonstrated. Up to four PL peaks from the QD ground and excited states were clearly resolved in the spectra. The island ensemble was optimized using a growth temperature ramp-down during the InAs island deposition. The luminescence wavelength was tuned by varying the QW composition. On the other hand, the QD confinement was modified by altering the height of the stressor islands or by varying the distance of the QW from the surface.

Secondly, transformation of self-assembled InAs islands into volcano-like nanorings was investigated. In the method introduced in this thesis, contrary to previous techniques utilizing partial capping of islands, only phosphorus annealing was applied. It is assumed that the material redistribution, i.e., the island-to-ring transformation, is caused by the exchange of As atoms to P atoms along with the strain-driven migration of In atoms outwards from the island.

Thirdly, surface passivation of GaAs by an in situ grown epitaxial ultrathin GaN layer was studied. Near-surface InGaAs/GaAs QWs were used as low-dimensional test structures, on which the passivation was applied. PL measurements were used to assess the effect of the passivation. Significant enhancement of the PL intensity shows that the growth of an ultrathin GaN layers is an efficient method in the passivation of GaAs surfaces.

Tässä väitöstyössä valmistettiin ja tutkittiin itsejärjestyviä yhdistepuolijohteiden nanorakenteita. Näytteet valmistettiin metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaktisella (engl. metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE) menetelmällä. Atomivoimamikroskopiaa (engl. atomic force microscopy, AFM) käytettiin pinnan morfologian tutkimiseen. Optisia ominaisuuksia tutkittiin fotoluminesenssimittauksilla (engl. photoluminescence, PL).

Kvanttipisteitä on tyypillisesti valmistettu peittämällä itsejärjestyneitä puolijohdesaarekkeita toisella puolijohteella, jolla on saarekemateriaalia suurempi energia-aukko. Tässä työssä kvanttipisteitä kuitenkin valmistettiin pinnan läheisyydessä olevaan kvanttikaivoon saarekkeiden indusoiman jännityksen avulla (nk. jännityskvanttipisteet). Aluksi toteutettiin jännityskvanttipisteiden valmistamiseen soveltuva uusi materiaalisysteemi, jossa käytettiin InGaAs(P)/InP-kvanttikaivoa sekä InAs-saarekkeita. PL-spektrissä havaittiin selkeästi neljän jännityskvanttipistetilan maksimit. Saarekekokonaisuutta optimoitiin laskemalla lämpötilaa saarekekasvun aikana. Jännityskvanttipisteiden luminesenssiaallonpituutta säädettiin kvanttikaivon koostumusta muuttamalla. Lisäksi kvanttipisteiden ominaisuuksia muutettiin mm. valmistamalla eri kokoisia saarekkeita sekä vaihtelemalla kvanttikaivon etäisyyttä pinnasta.

Seuraavaksi työssä tutkittiin itsejärjestyvien InAs-saarekkeiden muodon muuttamista nanorenkaiksi. Aikaisemmissa tutkimuksissa muodonmuutoksessa hyödynnettiin saarekkeiden osittaista peittämistä. Tässä työssä muodonmuutos saatiin aikaan käyttämällä ainoastaan fosforilämpökäsittelyä. Muodonmuutoksen oletetaan aiheutuvan aluksi tapahtuvasta arseeniatomien vaihtumisesta fosforiatomeiksi sekä tätä seuraavasta indiumatomien uudelleen ryhmittymisestä energeettisesti edullisempiin paikkoihin.

Lopuksi tutkittiin GaAs-pinnan passivointia ohuen epitaktisen GaN-kerroksen avulla. Passivoinnin vaikutusta arvioitiin mittaamalla PL-spektrejä näytteistä, joissa InGaAs/GaAs-kvanttikaivo on pinnan läheisyydessä. Passivointikerroksen aikaansaaman PL-intensiteetin kasvun perusteella pääteltiin, että epitaktisesti valmistettu GaN-kerros on tehokas tapa passivoida GaAs-pinta.