專利名稱：一種利用熒光光譜測量半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用熒光光譜測量InAs/GaAs或InAs/InP半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法。

背景技術(shù)：
自組織生長模式是目前較為常用的量子點生長方式。在實際器件應(yīng)用中，為了優(yōu)化諸如量子點激光器、量子點探測器等光電器件的性能，一般采用高密度多層的多量子點體系生長方式。由于這種方法很難生長出尺寸均勻的多量子點體系，使得量子點的PL譜并沒有表現(xiàn)出δ函數(shù)的特征，而呈現(xiàn)出一定的展寬，在一定程度上妨礙了量子點光電器件的應(yīng)用性能。為此，有人采用不同取向和圖形化的襯底以及對生長工藝進行優(yōu)化等，這在一定程度上改善了量子點的均勻性，但是結(jié)果還是不理想。而直接通過檢測InAs/GaAs或InAs/InP半導(dǎo)體量子點尺寸分布的均勻性來指導(dǎo)生產(chǎn)工藝，則具有更明確的方向性和前瞻性。目前常用的檢測方法有原子力顯微鏡、高分辨率透射電鏡等，這些方法的缺點是檢測過程復(fù)雜。由于量子點材料的應(yīng)用重點在光電特性上，熒光(PL)光譜更直接與光電特性關(guān)聯(lián)，若能提出一種通過PL譜的理論和實驗相結(jié)合的分析方法來給出InAs/GaAs或InAs/InP量子點的尺寸分布將是一種較好的檢測手段。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提出一種通過實測和理論計算InAs/GaAs或InAs/InP多量子點體系的PL譜，結(jié)合分析方法得到InAs/GaAs或InAs/InP半導(dǎo)體量子點尺寸的分布。
本發(fā)明的利用熒光光譜測量半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法如下 1).半導(dǎo)體量子點PL譜的測量 將量子點樣品置于顯微熒光光譜儀的物鏡下，測量溫度控制在270K以下，入射激光波長為632.8nm，激發(fā)功率為10-750mW，此時在量子點樣品內(nèi)產(chǎn)生的載流子濃度為1.0×1016-1.0×1017cm-3，由此測得量子點樣品的PL譜。
2).半導(dǎo)體量子點PL譜的理論計算 在有效質(zhì)量和半球形量子點的近似下，設(shè)量子點具有高斯型的尺寸分布，利用Fortran軟件解含時薛定諤方程 PL(hω)＝∫Nc(V)PL′(hω，V)S(V)dV，(1) 式中Nc(V)是量子點體積為V時量子點中的載流子濃度，其中量子點中的載流子濃度Nc(V)正比于它的體積，即，Nc(V)∝V；PL′(hω，V)對應(yīng)量子點體積為V時的發(fā)光光譜；S(V)為量子點的高斯分布，V0為PL譜峰值所對應(yīng)的量子點的體積，σ為分離變量，PL(hω)表示對所有量子點體積積分后計算得到的理論模擬PL譜，hω＝E。
3).由公式(1)可知PL譜的峰值與展寬變化只與V0和σ有關(guān)，由此，先假設(shè)V0和σ為任一兩個大于零的值(V01，σ1)計算PL譜，并與實驗所測得的PL譜相比較。如果計算的PL譜的峰值能量(E1)小于實驗測量的PL的峰值能量(E0)，則將V01減小，直到再計算得到的PL譜的峰值能量(E2)大于實驗測量的PL的峰值能量(E0)，這是對應(yīng)的體積為V02。反之，如果E1＞E0，則增大V02，使其計算所對應(yīng)的PL譜的峰值能量(E2)小于實驗測量的PL的峰值能量(E0)。這樣量子點的中心尺寸V0就在V01和V02之間。然后，利用二分法求得中心尺寸V0調(diào)，使得V0調(diào)對應(yīng)的PL譜的峰值能量E滿足|E0-E|＜＝0.001。這時認為V0＝V0調(diào)。
4).保持V0不變，計算(V0調(diào)，σ1)所對應(yīng)的PL譜，并與實驗測得的PL譜半峰寬相比較，如果計算的PL譜半峰寬大于實驗的PL譜半峰寬，則使σ1變小，直到計算的PL譜半峰寬小于實驗的PL譜半峰寬，這時對應(yīng)的尺寸分離變量為σ2。反之如果計算的PL譜半峰寬＜實驗的PL譜半峰寬，則使σ1變大，直到計算的PL譜半峰寬＞實驗的PL譜半峰寬，這時對應(yīng)的尺寸分離變量為σ2。這樣量子點的中心尺寸σ就在σ1和σ2之間。最后利用二分法求得尺寸分離變量σ調(diào)，使得σ調(diào)對應(yīng)的PL譜半峰寬能量滿足|E0半-E半|＜＝0.001，這時我們認為σ＝σ調(diào)。
5).這時量子點的尺寸分布為
本發(fā)明是基于由于不同尺寸量子點俘獲載流子的能力不同，從而對復(fù)合發(fā)光的貢獻不同。在一定的激發(fā)功率下，雖然大尺寸的量子點有較多的載流子注入，但是由于大尺寸的量子點在整個量子點體系中占的比率很少，由此對量子點體系的PL譜的貢獻很小。而尺寸分布上占絕大比例的量子點，由于在數(shù)量上的絕對優(yōu)勢，對量子點系統(tǒng)的PL譜的貢獻最大，表現(xiàn)出PL譜的峰值對應(yīng)該尺寸的量子點的復(fù)合發(fā)光。而量子點體系的PL譜的半峰寬，則是由于量子點尺寸分布引起的譜線展寬。因此，通過理論PL譜與實驗所測得的PL譜的對比，可以得到量子點的尺寸分布。
本發(fā)明的方法操作簡單，耗時短，判斷標(biāo)準(zhǔn)明顯，并可對量子點系統(tǒng)發(fā)光性能進行預(yù)測，便于對半導(dǎo)體量子點材料產(chǎn)品進行分級處理，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的升級。



圖1為測量溫度為80K時，測得到InAs/GaAs多量子點體系的PL譜(實線)和理論計算的在尺寸分離變量(σ)為0.09和0.07時對應(yīng)的PL譜(點線和虛線)。
圖2為原子力顯微鏡測得的量子點尺寸分布圖，(a)圖為測得的量子點的分布圖；(b)圖中的柱形圖為統(tǒng)計量子點的實際尺寸分布，點線為高斯近似下的量子點的尺寸分布。
圖3保持尺寸分離變量σ＝0.04不變，使V01＝530nm3且V02＝790nm3，利用二分法進行光譜比較尋找量子點的中心尺寸V0的光譜演示圖。
圖4為保持中心尺寸V0＝730nm3不變，使σ1＝0.04且σ2＝0.1，利用二分法進行光譜比較尋找量子點的中心分離變量σ的光譜演示圖。

具體實施例方式 以下通過實施例及附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明 1.本實施例采用InAs/GaAs量子點樣品，首先對其進行PL譜的測量，測量條件 將量子點樣品置于顯微熒光光譜儀的物鏡下，測量溫度控制在80K的低溫下，入射激光功率為200mW，入射激光波長632.8nm。這時在量子點樣品內(nèi)形成的載流子密度約為1.6×1016cm-3，測得InAs/GaAs量子點體系的PL譜，見圖1中的實線，可見PL譜線峰值的中心位置(E0)為1.24eV，半峰寬為75meV。
2.根據(jù)上述的InAs/GaAs半導(dǎo)體量子點PL譜的理論計算方法計算該體系的PL譜 先設(shè)V0和σ為任一兩個大于零的值，利用Fortran軟件計算PL譜，發(fā)現(xiàn)σ＝0.04，V01＝530nm3時，計算得到的PL譜的半峰寬小于75meV，且峰值的中心位置E1大于1.24eV，滿足E1＞E0。然后保持σ＝0.04不變，再選一個V02＞530nm3，使其對應(yīng)的PL譜的峰值滿足E2＜E0，發(fā)現(xiàn)當(dāng)V02＝790nm3計算的PL譜滿足該條件。然后通過二分法尋找到量子點的中心尺寸V0＝730nm3。這時計算的PL譜的中心位置與實驗所測得的譜線的中心位置1.24eV相對應(yīng)。
3.保持量子點的中心尺寸V0＝730nm3不變。已知σ1＝0.04時計算得到的PL譜的半峰寬小于75meV，這時選取一個大一點的尺寸分離變量使其計算得到的PL譜的半峰寬大于75meV，發(fā)現(xiàn)當(dāng)σ2＝0.1時滿足該要求。利用二分法進行光譜比較尋找到量子點的尺寸分離變量σ＝0.07。
這時量子點的尺寸分布S(V)可以用公式來表述。當(dāng)σ＝0.07，V0＝730nm3時，譜線與實驗符合的最好，見圖1中的點線。而這與采用原子力顯微鏡直接實驗測得的尺寸分離變量σ＝0.09，見圖2(b)中的點線已很接近。
量子點尺寸分布不同，測得的和計算所得的PL的峰值與形狀均不同，且一種尺寸分布對應(yīng)的PL譜是唯一的，所以我們的方法能夠有效的找到量子點的尺寸分布。
以上所述的實施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本專利的范圍并不僅局限于上述具體實施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用熒光光譜測量半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法，其特征在于具體步驟如下
§A.半導(dǎo)體量子點PL譜的測量
將量子點樣品置于顯微熒光光譜儀的物鏡下，測量溫度控制在270K以下，入射激光波長為632.8nm，激發(fā)功率為10-750mW，測得量子點樣品的PL譜；
§B.半導(dǎo)體量子點PL譜的理論計算
在有效質(zhì)量和半球形量子點的近似下，設(shè)量子點具有高斯型的尺寸分布，利用Fortran軟件解含時薛定諤方程
PL(hω)＝∫Nc(V)PL′(hω，V)S(V)dV，(1)
式中Nc(V)是量子點體積為V時量子點中的載流子濃度，其中量子點中的載流子濃度Nc(V)正比于它的體積，即，Nc(V)∝V；PL′(hω，V)對應(yīng)量子點體積為V時的發(fā)光光譜；S(V)為量子點的高斯分布，V0為PL譜峰值所對應(yīng)的量子點的體積，σ為分離變量；PL(hω)表示對所有量子點體積積分后計算得到的理論模擬的PL譜，hω＝E；
§C.由公式(1)可知PL譜的峰值與展寬變化只與V0和σ有關(guān)，由此，先假設(shè)V0和σ為任一兩個大于零的值V01、σ1，計算PL譜，并與實驗所測得的PL譜相比較，如果計算的PL譜的峰值能量E1小于實驗測量的PL的峰值能量E0，則將V01減小，直到再計算得到的PL譜的峰值能量E2大于實驗測量的PL的峰值能量E0，這是對應(yīng)的體積為V02；反之，如果E1＞E0，則增大V02，使其計算所對應(yīng)的PL譜的峰值能量E2小于實驗測量的PL的峰值能量E0，量子點的中心尺寸V0就在V01和V02之間；然后，利用二分法求得中心尺寸V0調(diào)，使得V0調(diào)對應(yīng)的PL譜的峰值能量E滿足|E0-E|＜＝0.001，V0＝V0調(diào)；
§D.保持V0不變，計算V0調(diào)，σ1所對應(yīng)的PL譜，并與實驗測得的PL譜半峰寬相比較，如果計算的PL譜半峰寬大于實驗的PL譜半峰寬，則使σ1變小，直到計算的PL譜半峰寬小于實驗的PL譜半峰寬，這時對應(yīng)的尺寸分離變量為σ2；反之如果計算的PL譜半峰寬＜實驗的PL譜半峰寬，則使σ1變大，直到計算的PL譜半峰寬＞實驗的PL譜半峰寬，這時對應(yīng)的尺寸分離變量為σ2；量子點的中心尺寸σ就在σ1和σ2之間；然后利用二分法求得尺寸分離變量σ調(diào)，使得σ調(diào)對應(yīng)的PL譜半峰寬滿足|E0半-E半|＜＝0.001，σ＝σ調(diào)；
5).這時量子點的尺寸分布為
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種利用熒光光譜測量半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法，其特征在于所說的半導(dǎo)體量子點為InAs/GaAs或InAs/InP半導(dǎo)體量子點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用熒光光譜測量半導(dǎo)體量子點尺寸分布的方法。該方法通過實測半導(dǎo)體多量子點體系的PL譜；從有效質(zhì)量近似下的含時微擾的薛定諤方程出發(fā)，計算半導(dǎo)體多量子點的PL譜；而后通過理論和實驗PL譜對照獲得量子點的尺寸分布，其中，PL譜的中心波長對應(yīng)占比率最大的量子點的復(fù)合發(fā)光，而PL譜的形狀對應(yīng)尺寸的分布規(guī)律。本發(fā)明操作簡便，耗時短；可以明確獲得半導(dǎo)體多量子點體系的尺寸分布。
文檔編號G01N21/64GK101251485SQ200810035500
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者衛(wèi) 陸, 楊希峰, 陳平平, 李天信, 甄紅樓, 波 張, 寧 李, 李志鋒, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所