有缺陷和无缺陷量子点内应变分布的比较与分析①.pdf

高技术通讯 2005年6月 第 15卷 第 6期 有缺陷和无缺陷量子点内应变分布的比较与分析① 杨红波②… 俞重远一 刘玉敏一 黄永箴 (北京邮电大学理学院 北京 100876) ( 光通信与光波技术教育部重点实验室 北京 100876) (… 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室 北京 m0083) 摘 要 阐述了量子点内能级结构与应变的关系，用ANSYS7．1计算了有缺陷和无缺陷 两种情况下InAs／GaAs量子点的应变分布，通过对计算结果的比较，讨论 了两种情况下不 同的应变分布对量子点电子结构影响的不同结果，指 出有缺陷时量子点各能级的改变量 都与无缺陷时不同，无缺陷时应变的作用只是使能级平行移动；有缺陷时，缺陷将使量子 点内能级结构复杂化，有缺陷时发光波长和发光光谱都比无缺陷时复杂。 关键词 量子点，应变，缺陷 分布，这些应变的相应应变能将叠加在原有的能级 O 引 言 上，使量子点的结构发生变化。半导体物理学中将 近年来，半导体量子点的独特光电特性备受材 量子点内的能级分为导带能级 、重空穴能级 M、 料科学领域学者的关注。半导体量子点是 自组装生 轻空穴能级 腩和轨道一自旋相互作用能级 研 长在衬底上的零维外延岛材料，单个量子点的大小 究表明E31，由于应变的影响，量子点内各能级的能量 约为几纳米到几十纳米 ，可以是透镜形、金字塔形和 都将发生改变 ，导带能的改变量 △ 、重空穴带的改 台形等。量子点在三个方向的线度都可以与德布罗 变量 △M、轻空穴带的改变量 △ 和轨遭 自旋相 意波长相比拟 ，像原子一样 ，具有分裂的能级结构 ， 互作用能的改变量zXE。与应变的关系可分别表示 被称为人造原子。量子点的这种能级结构决定了它 为： 比其它的半导体材料有更优越的光电特性。然而， 3E =a(￡ +￡ +￡) (1) 在半导体外延材料的生长过程中不可避免地会产生 3EM=△E +△疏 (2) 一 些缺陷，这些缺陷影响了材料的性能，因此，研究 3E腩=△ +△簖 (3) 量子点内的缺陷对其能级结构和发光性能的影响是 △E。=△ +△ (4) 一 个重要的课题。目前 国际上研究量子点能级结构 其中： 的方法主要有 kP·微扰理论_lJ、紧束缚近似理论_2 △ =a(￡ +￡ +￡) (5) 和有效质量近似法_3等，这些方法得出了较为精确 的能级分布的结果，但分析过程过于复杂，也没有考 △E盘=一18E (6) 虑缺陷的影响。本文采用了一种更为简便的方法， ~E7 =一 △。+ 即根据应变与能级结构的关系，利用有限元法计算 单个 InAs／GaAs量子点中在有和无缺陷两种情况下 一 _1L2+3oBE^+9( ) (7) 。 的应变分布，将有限元法所得结果应用于应变与能 级结