但对于正电荷激子X+, 其电荷组态是一个电子和两个空穴,

但对于正

电荷激子X+, 其电荷组态是一个电子和两个空穴,

测量的偏振度与电子的自旋弛豫机制相关, 在电子

能量弛豫过程中, 电子自旋的弛豫率较小, 因此得

到较高的圆偏振度.

物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 4 (2013) 047801

电场调谐InAs 量子点荷电激子光学跃迁*

李文生1) 孙宝权2)†

1) ( 通辽职业学院化工学院, 通辽028000 )

2) ( 中国科学院半导体研究所, 半导体超晶格国家重点实验室, 北京100083 )

( 2012年7月21日收到; 2012年9月18日收到修改稿)

在低温5 K 下, 采用光致发光光谱及外加偏压调谐量子点电荷组态研究了InAs 单量子点的精细结构和对应发

光光谱的偏振性、不同带电荷激子的圆偏振特性. 得出如下结果: 1) 指认InAs 单量子点中不同荷电激子的发光光

谱和对应的激子本征态的偏振特性; 2) 外加偏压可以调谐量子点的荷电激子的发光光谱; 3) 伴随着电子、空穴的能

量弛豫, 电子的自旋弛豫时间远大于空穴的自旋弛豫时间.

关键词: InAs 量子点, 激子, 荧光光谱, 电场调谐

PACS: 78.67.Hc, 78.55.Cr, 71.35.Pq DOI: 10.7498/aps.62.047801

1 引言

单量子点的许多光谱结构特性与单原子、单

 

分子十分相似, 是在固态量子体系中实现单量子

态研究的理想体系. 如单量子点的发光光谱是非经

典的, 在单光子发射和量子信息研究领域具有重要

的潜在应用前景[1;2]. 同时, 由外延制备的半导体

量子点与现代半导体工艺相兼用, 易于集成制备量

子点p-i-n 二极管结构, 实现电驱动单光子发光器

件. 量子点可以嵌入Schottky 二极管结构中, 通过

外加电场向量子点注入电子或空穴, 研究不同量子

点电荷组态下的光谱结构、激子的精细结构劈裂,

电子或空穴的自旋弛豫动力学和电子/空穴系统的

多体效应等[3−6]. 这些与单量子点光谱相关的深入

研究有助于提高单光子发射效率, 弄清其发光的偏

振特性, 实现基于双激子辐射复合的纠缠光子态.

有关单量子点的荷电组态结构及电场调谐荷电激

 

子的发光特性在国外报道的比较多[3−6], 而国内还

没有这方面的研究报道. 本文采用光致发光光谱

(PL) 研究InAs 单量子点中单、双激子及激子的精

细结构和对应发光光谱的偏振性, 外加电场调谐荷

电激子的发光光谱, 讨论了荷电激子圆偏振度受偏

压的影响, 以及带正或负荷电激子偏振度不同的物

理机制. 在弱光光谱测量中, PL 光谱测量技术得到

广泛的应用, 特别是在单个原子、单量子点等光谱

研究中具有极高的检查灵敏度. 结合高分辨光谱测

量系统, 如Fabry-Perot 干涉仪, 可以测量精细结构

光谱[7]. 对于量子点中荷电激子圆偏振度的测量,

PL 偏振光谱直接给出电子、空穴的自旋极化度[8].

2 实验

研究的量子点样品由分子束外延方法制备, 所

用的化学元素有镓源(Ga)、砷源(As)、铝源(Al)

和铟(In), 生长样品的衬底为半绝缘GaAs, 生长样

品时衬底和(GaAs/Al0:9Ga0:1As) 的温度为580 ◦C,

生长InAs 量子点的温度为450 ◦C. 在生长样品

时, 相应的化学源打开, 入射到GaAs 衬底上进

行化学反应而形成. 样品结构的生长次序为:

n+ 掺杂GaAs 缓冲层上面生长20 对n+ 掺杂的

GaAs/Al0:9Ga0:1As 组成的底层分布布拉格反射镜

(DBR), InAs 量子点嵌在2l 腔长的GaAs 微腔中,

上面是厚为344.4 nm GaAs 层和30 nm Al0:3Ga0:7As

* 国家自然科学基金(批准号: 11074246) 资助的课题.

†通讯作者. E-mail: bqsun@semi.ac.cn

⃝c 2013 中国物理学会Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn

047801-1

 

物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 4 (2013) 047801

层, 最后盖上一层厚为15 nm 的GaAs 层. 量子点

为沉积2.35 单层的InAs 层, 其生长数率为0.001 单

层/每秒. 按照这种方法制备的量子点样品, 其量子

点的密度非常低, 每平方微米小于一个量子点[9].

因此, 不需要在样品上制备小的台面或在金属镀层

上开透光小孔来分离单个量子点. 利用半导体工艺

将InAs 量子点样品加工成肖特基二极管, 制备的

肖特基二级管参数: 台面直径120 m, 透明电极直

径60 m, 肖特基电极内直径为60 m, 外直径为

110 m, N 电极大小为300×360 m. 在实验中N

型欧姆接触端接电源的负极, 肖特基金属端接电源

的正极. 当加上正向电压后, n+ 型GaAs 电极的电

子向量子点内注入. 当加上反向偏压后, 量子点中

的电子隧穿到n+ GaAs, 见图1 肖特基二极管能带

示意图. 实验中, 样品放在氦循环制冷的低温测量

系统中, 实验温度为5 K. 实验所采用的激光器有:

氦氖激光器(波长632.8 nm), 掺钛兰宝石脉冲激光

器, 脉冲重复频率为82 MHz, 脉冲宽度为200 fs. 扫

描共聚焦显微镜(数值孔径0.5) 用来分辨单个量子

点, 量子点的发光光谱由共聚焦显微镜收集, 所用

的单色仪焦距为0.5 m, 探测器为Si-CCD. 对于偏

振光谱的测量, 激发光设定为右圆偏振光(s +, 通

过l =4 来实现), 发光光谱的检测是采用组合l =4

和l =2 波片, 以及线性偏振片来完成.

图1 外加偏压Vb 下N 型肖特基二极管能带结构, 点线是N

极n+ GaAs 的费米面, 虚线是肖特基极金属的费米面

3 结果和讨论

为了研究InAs 量子点对激发光生载流子的俘

获概率、不同荷电激子发光光谱及对发光光谱的

 

指认, 在低温5 K 和零偏压下, 采用氦氖激光器(波

长632.8 nm) 激发量子点的GaAs 势垒层, 图2 给

出测量的单InAs 量子点光致发光光谱随激发功率

的变化. 在激发功率很低的情况下(图2(a) 0.1 W,

×10 为谱线放大10 倍