+ All Categories
Home > Documents > GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-...

GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-...

Date post: 16-Feb-2021
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
63
TKK Dissertations 23 Espoo 2006 GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF- ASSEMBLED SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURES Doctoral Dissertation Helsinki University of Technology Department of Electrical and Communications Engineering Optoelectronics Laboratory Jaakko Sormunen
Transcript
  • TKK Dissertations 23Espoo 2006

    GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURESDoctoral Dissertation

    Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics Laboratory

    Jaakko Sormunen

  • TKK Dissertations 23Espoo 2006

    GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURESDoctoral Dissertation

    Jaakko Sormunen

    Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission of the Department of Electrical and Communications Engineering for public examination and debate in Large Seminar Hall of Micronova at Helsinki University of Technology (Espoo, Finland) on the 10th of March, 2006, at 12 noon.

    Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics Laboratory

    Teknillinen korkeakouluSähkö- ja tietoliikennetekniikan osastoOptoelektroniikan laboratorio

  • Distribution:Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics LaboratoryP.O. Box 3500FI - 02015 TKKFINLANDURL: http://atomi.hut.fi/Tel. +358-9-451 3121Fax +358-9-451 3128E-mail: [email protected]

    © 2006 Jaakko Sormunen

    ISBN 951-22-8037-XISBN 951-22-8038-8 (PDF)ISSN 1795-2239ISSN 1795-4584 (PDF) URL: http://lib.tkk.fi/Diss/2006/isbn9512280388/

    TKK-DISS-2103

    Otamedia OyEspoo 2006

  • ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYP. O. BOX 1000, FI-02015 TKK

    http://www.tkk.fi

    ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION

    Author Jaakko Sormunen

    Name of the dissertation

    Date of manuscript 30th January 2006 Date of the dissertation 10th March 2006

    Monograph Article dissertation (summary + original articles)

    Department

    Laboratory

    Field of research

    Opponent(s)

    Supervisor

    (Instructor)

    Abstract

    Keywords nanotechnology, epitaxy, compound semiconductor, quantum well, quantum dot, quantum ring

    ISBN (printed) 951-22-8037-X

    ISBN (pdf) 951-22-8038-8

    ISBN (others)

    ISSN (printed) 1795-2239

    ISSN (pdf) 1795-4584

    Number of pages 116

    Publisher TKK Optoelectronics Laboratory

    Print distribution TKK Optoelectronics Laboratory

    The dissertation can be read at http://lib.tkk.fi/Diss/2006/isbn9512280388/

    Growth and modification of planar and self-assembled semiconductor nanostructures

    X

    Department of Electrical and Communications Engineering

    Optoelectronics laboratory

    Nanotechnology

    Professor Werner Seifert

    Docent Markku Sopanen

    X

    The epitaxial growth and modification of planar and self-assembled compound semiconductor nanostructures isstudied. Quantum dot (QD), quantum ring (QR), and quantum well (QW) structures are grown by metalorganic vaporphase epitaxy. The surface morphology of the samples and nanostructure properties are studied by atomic forcemicroscopy. Photoluminescence (PL) spectroscopy is used to characterize the optical properties of the structures.

    A novel method for transforming self-assembled InAs islands on InP into QRs is developed. The fabrication ofself-assembled semiconductor QRs relies typically on the partial capping of islands to induce the dot-to-ringtransformation. In this work, the change in the morphology is achieved without capping, by annealing as-grownInAs/InP islands in a phosphorus-rich flow. With this method, 6–10-nm-high rings are achieved.

    It is also demonstrated that InGaAs(P)/InP strain-induced quantum dots (SIQDs) can be realized using InAs stressorislands. To adjust the depth of the strain-induced lateral confinement potential, the height of the islands is modified byvarying the growth conditions. Furthermore, by varying the composition of the nearly-lattice-matched InGaAsP/InPQW, the SIQD ground state emission wavelength is tuned from 1.3 to 1.7 µm. Luminescence from the excited statesin the SIQDs is also observed. The redshift of the SIQD ground state transition from the QW PL peak increases up to67 meV as the distance between the SIQD and the stressor is reduced to 4 nm. Simultaneously, the luminescenceintensity of the SIQD peaks reduces notably. Time-resolved PL measurements reveal that the intensity reduction isaccompanied by a faster decay in the carrier populations of the SIQD states. It was concluded that this is due toelectron capture to the InAs stressor or surface states associated with it.

    Finally, the growth of GaN layers for the surface passivation of GaAs is investigated. The passivation effect is probedby PL measurements of near-surface InGaAs/GaAs QWs. The luminescence intensity of samples passivated withGaN is clearly enhanced as compared to unpassivated samples. This shows that the growth of a thin epitaxial GaNlayer is an effective means of in situ surface passivation of GaAs.

  • �������

    ��� ���� ��� �� ��� �� ��� ������ ��� �� ��� ������������ ����

    ������� �� ���� ������ �� ��������� ���� ���������� �����

    ��� �� �!���

    "� �������� �� #����

    �� ������ ���" �� #����

    �� ����

    ���� ��� ��� ��������� �� ���� ��� �����������

    �" ������ �� $���� %����� &����' ��� ������� �� �� ���'

    ��� � ������ ������ �� ����� "� ���� � ���� � ��� � ����

    ��� ��� "������� %�������' ��� �� ���� (��� )��� ��� ���

    ������� ����������� ��� ���� �� ����������� �" ��� �������� ���

    ��� �������� ��������� �� $�� (��� �����' $�� ����� ��������'

    %���� %�����' ��

    � *��������' �� (�� ������ ����� ��

    ���� ���' �� ��� ����� �� �� ��� �"� ������ ��� ���� �� ����

    ����� ���" ��� ��� ����

    �� �� ��� �����������

    �" "�� �������� �� ��� +������� &����� �� ,������� %���������

    �� ����� ���-"

    --�. ��� ���� /���� �������

    �������� ��� �� ���� "� ����� #���� �� ���� �� "� ��� &��

    � ���� � "� ������� ��� ��� ���� ����� ������ �� ��������"���

    0����' ���� ���� �� ��� "� ����' ���� ��������� �� �������

    ,���' (����� ���1 (����� &��"��

  • ����� �� �����

    ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

    ��� �� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

    ���� �� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

    �������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

    � ����������� �

    �������� ��� �������������� �� ����� �������������������������� �

    ��� ���������� ����� ����� ������� � � � � � � � � � � � � � � � �

    ��� ���� ���� �� ���!���� �� ���"�� � � � � � � � � � � � � #

    ��$ ��� �� ����� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � %

    ��� &����� ������������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �'

    � ����������� ������� ���� �

    $�� (��!���� �� )���� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

    $�� ��������� �� )���� ���� � *� � � � � � � � � � � � � � �+

    $�$ ,������ �� *�� ����� ��� )���� ���� � � � � � � � � �-

    � �������� ������������ ������� ���� �

    ��

  • ��� ���������� ������� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

    ��� ����������� �� ������������� ����� � � � � � � � � � � � � �

    ��� !��"������ �� ���� ������� ��#��� � � � � � � � � � � � � � �$

    ��� %&����# &��&���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

    � ������� �����

    � � ��� �� ��� ��

    � ������� ��

    ��������� ��

    ���

  • ���� �� ����������

    ���� ������ �������� � � ������� �� � ��� ������� ����������� ����

    �� ������� �� �� ��� ���� �� ����� ���� ��������

    � �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ����������� �� �������

    �� �� �������� ������������� �� ���������� �������� �������� ���� ��� ������� ���� ������ ������� �� ������� �� !"#!$!"#% &'((")�

    �� �� ��������� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� ��

    �������� �������� �� ���������� �������� ������� ��� �������� ����� ������ ������ � *������ +������ ��� �!%'%$�!%'"&'((")�

    ��� �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ������� �� �� ����,

    ���� ��� � ���������! �� ���� ������ ����� �� �������� �������������� ��"���#�$���� ������� ����� ������������ ���!-%($!-%" &'((")�

    �� �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ������� �� �� ����,

    ���� ��"������� ������� %��� ������ ! ����&����'� �������������������� ������ ������ � *������ +������ ��� �"!.$�"'( &'((")�

    � �� ��������� �� ��������� �� /������

    �� �� ������ �� �������

    �� �� �������� (���! ����� ������ ���� ������������ ���"�������� ������� %���� ������ ������ � *������ +��������� �01-$�01. &'((")�

    �� �� /������

    �� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� �� ���,

    ����� )���� �!����� � ����� ����� ��"�������� ������������ ������� �� ���������� �� +����� 2�

    ��� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� �� �������� ����������! �� ��������� ��� "�* ��!�� �� "���#+,,$ ����� ! �&-����� %�(! �� ������ ������ *������ ����� ������� ���� '.-$'0' &'((#)�

    ���� �� ��������� �� ��������� �� /������

    �� �� ������ �� �������

    �� �� �������� ��������� �� "��� ������ ! �������� ���.��"�* ��!�� ������ � 3����� 4���� ���� -'!$-'- &'((#)�

    ��

  • �������� ��������

    ��� ������ ��� ����� ��� ��������� ��� ����

    ����� �� ��� ���� ��� ����

    ��� �� ��� ��������� �� ��� ���� ������� ��� ��������� ��� ����

    �����

    ��� �� ��� ��� ����� ��� ������ ��� �������� ������ �� ��� ����

    ����

    �� ������� ���� ��� ��� ����� ������ �� �������������� �����������

    ������� ��� ����������

    ��� ������ ��������� ��� ����� ���������� ��� ��� �� ��� ����

    �����

    ��� ������� �� ��� ������ ��� ��� ���������� ��� ������ ��� ���� ���

    ������� ��� ����

    ����� �� ��� ��� ���� ��� ������� ��� ����

    ����� ����

    ��� �� ��� ��� ���� ��� ���� �� ��� ������ ��� �� �

    ������

    ��� ����

    ���� �

    ������ ������ ��� ��� ��� ����

    ����� ��� ���������

    �� ��� �������

    ��� ����

    ���� ��� ��� �������������� ������������ ��� ����� ���

    �� ��� ������� ��� ��� ���� �� ��� ����

    ������ ��� ��������������

    ������������ ��� ��������� �� �� �

    ����� ��� �� �����!���� ��

    ���� ���� ��� �������

    !

  • � �����������

    ������ ������ �������� ����������� ���� ������ �� ���������� � ������������� �� ��������� ��� ������������ �������� ������������ �������� ��� ��������� ���������� �� �� ����� ��������� �������� ��������� � ��� ��� ������ ���� ���� ������� ���� ������ �� !������������������� ��� ������ ������ ����������� �� ���� �� ����������������� ���

    ��� ������ �� ������������ "������ ��� � �� #�� ������������ �� ���������� � ����� ������� ��� ��� ��������� ��������� ����������!����� �� ��� ���� ����������� ������ ��� ��$�� ����� �� ���������������� �%��� &���!���� ����' ��� ���� ������ ������� ������� �������� ������ ������ � ����� (��� ������� ��� � ������� �� ���������

    �� ���������� � ����������� ������ �������� )��������� ������������ ���������� ���� �� ������������ ���� ������� *+, �� ������ �����

    ������� ��� � ��������� -������� ����������� ��������� ��� � ����

    � ������ ������ ������ �� �� ����� ����� � �� ��� � ����������(��� � ��

    ������ ������ �������� � �� ������� �� ��������� � ������� ������ ���� "������ ��� �������� �� ������������� ��� ��������� ������� ���� �������� ����� ��� �� ������� ��� ��������������� �����������

    $����� �� ��� !��� ����� ������������ ����� ��� ������������� �������� �� ��������� (�� ��������� ������� .����#��/������� ����� ������������� ������� ��� � ������� ����� ����������� ������ ��������

    ���������� (�� ������� ��� ����� � ���� ������ � �������� ��������� ��� �� ����� � �� ����� ������ ������� ��� �#� ����� �� ������� ����� ���� -� ������� � �� ������ ����������� �� �� �������� ����� *0,� (�������� �$ ������� ������ � ������������ ������� ������� � ������ ������� ��� � ������ ��� ����

    -� ��������� ��� � ����� �$� ������� �� � ��� �� ������������������� �� �������� *1,� (�� ������ ����� ��������� �� ������� �� �������

    � ������� ������ �� ��� ��� � � ����������� ������ ����� (�� �������������� ���!����� ������� �� ������ �������� �� �� �������� ��� �����

    +

  • ��� ��� ������ �������� � ������ �� ��� ���������� �������� �� ������ ��� ��������� �� ��� ������� � ���� ��� ������ ���������� �� �������������� ������� ���� ���� �! �� �� ����� �� ��"����� ��� ��

    ��������# �������� ������������ �� ��� �������� ������� $����������#��� � ������ �� ��������� ����� �� ����� ��� ����� �� �������������������� ���� %&'# �������� �� ��� ����� ��� ��� ����� ���������������� �� �� ������� � � �������������� ������ %('�

    )� �������� ����� �� �������������� ������ � ���� ��� ����� �� ��� �������� ��� ����� �� �� ���������� �� ��� ��� �� ���������� �������������#���# ������� ���� ��*�!# ��� ����� � �������� ����� �� �����������

    ������ � ��� ������� ���������� )� ��������� ������� ����������������# �*� ���� ������ ��� ���������� ������� ������� ���������� ��� � ������ ��� �+��� ����� ������� ������ ��� �� ������ ������� ���������� ��������� ��� ��������� ������� %,'� �� ����������# ���������� �*� ���� �������� ������ ������� �������# ������� ��� ����� �� ����������� ����� ��� ��� �������� ���� ����������

    �� ��� �����# ��� �������� �� ������� ���������� ���������������� ������� ��� ������� �� ������ ��� ������������� ����������� ����-�� ����� ��� ���������� � ��������� ��� ��� ���� �� ������. ��� �� ��� �������������� ������ �� ��/������ �*� ��� ��� �� ��������� ��������� ���� ����� �� ���������� ����� ����� ����-�� ������������� �� ��� ������� ��� ������ �� ���� ���� �������� /�������������� ���������� ��� ���� �� �������0� ��� ����� ����������� ��� ����������

    �� ��������� � ��� ��# ��� ������ ��� ��������� �� ������� ���� ��������������� ) ����� ������ ��� ����������� �������������� ��)� �������� ��/ ��� ������� ���� ��� ���������� �� ��������� ���12�# ����������� ������� ���� ���� ������� ��� �������� �� ��3�)�4��/ �������� ���� ����� �� �������������� ��)� ������ ��� �������� � ��������� �2� ��� �������� ��������� ��� ��������� ���������� ����3�)��/!4��/ ��� � ���� ������� � ��������� ��� ��� 2 �� �������� ��� �������� ������ ��� ����� ��������� ����������� �� �������� 2�#��� ����� ������ � ��3�)�/4��/ ��� � ���� ������ �� ��������������������������� ������ �+��� ������� �� ��� ��)� ��������� ��� ������� ����� ���� ����� �� �5���� ��� ����� ���������� � ��� ��� ��$�����# ��� ������ �� �������� ����-�� 3�6 ������ ��� ��� ������ ���������� �� 3�)� ��� ������ � ��������� 2�� ��� 2���� ��� ���������������� �� 3�6 ��������� ��3�)�43�)� ����������� ��� ��� �������

  • �� �� �� ���� ���

    ���� �� ������� � ������ �� ����

    �����

    ����

    �� ������� �� ��� ������ � � ������� �� ������ ��� ������������������� �

    � �� ��� ��� �� ����

    � �� ������ �� �� ������������� ���������� ����� ���� � ����

    � �� ������ � �������� ������ ��� ����������� � ��� ��� �� ���� ��� ����������� ���!"��� ��

    ��� �� ������ # ����� ����

    ���$��

    � %�&'� �� ����

    ��� ����������� "�� ��� "���( ����

    ��� �� ������ �� )�* �� )��( ����

    ��� �� ������ +� �� ��� ���� �� ��� ��� �� ������ �������� ,�

  • � ���������� � ��������������

    �� ����� �����������

    ������������

    ���� ������ ������� ��� ��������� �� ������������� ������� �������� � ���� ���� ������ ��� ������ ��� ��� ������ �� �������������� ����� ������� �� !"#$ ������ ��� �� ��� ����� �� ��� ������������� ������ ��� �������� ��� ��������� �� �������������� ��������� ����� ��������� �� ��� ������� ��� ����������� �� ������ ������������� �%&�$ ����� �� ������� � ������ ��'� ������ ��( ����������� ������� ����������� ��������

    ��� ��������� ���� ����� �������

    � !"#) ���� ��� �� � *!+ ����������� �������� ���� ���������$�� ����� � ��� �� �� ���������� ������� �� ������ �� ��� �������� ��������� ������ ���� ��� �,-./�) � !"# ��� ������� �� � ��������������0� �� ��� ������ �� ������� ������� �� ������ ����������� ��� 1���� 2�������) ��� ������ � !"# ������ �� ������ ����� ������� ����� � � ����� ����� � ��� �����0� ������ ��� ���������� �� ���� �������� ������ ��3��� �������� �� ������ ������� ��� �����) ����������) �� ���������� �� ��� ��������� ������ ������� ���� ���������� �� 4�2 ��������� ����� � � !"# ������� �������� �� ����� �� ��������� ����� �...

    ◦C �� ��� ������� �

    �������

    ��� �� ��� �� ����� ����� ������� ������ �5#+�$ 678 �� ��� ����� 698�:� ����� ���� �� ������� ���� � ��������� �����0�) ������� ����������� ��;#$) �� ������� ��� �� ��� ��������� �� :::�! ��������������������� 6,8�

    (

  • ��� ���������� ������� �� ���� ������ ��� ��� ���� � ����� ������� ��������� �� ������ ��� �������� �������� �� ! �������

    �� ��� ������������� �������� � "##$ % ��������� ����� �� ��������� �� ���� � &�� ' " ��� ���������� ������� �� ������

    � ������� ����� �� ������� � ����� ��� �� � ������ ���������� �� ����� ��� (��� ������ �� ��� ������� )��� *** �������� ��� � ���� ����� ������ �� ��������������� +��)�, �� )� �

    ������������ +��*, �� * %� ���� � �������! �������������������� +�-�,! ��������������� +�-%�,! ���������

    �.�� +/�0�,! �

    �������������� +����, �� ��� �� �! %�! 1! � ��! �������(��� *� ������ ���� ���� ��� ���� � ������� �-%� 2"34 � �-� 2""4 �� �������� � ��� ������ � ���� �� ��� ���� ��� ���� +%�03, � ��������+�03, %

    ��������! ������.�� +/�5, � ������ +��206, �� ��� ��

    ����� �� �� � ����� ������ � ���������! �������(���

    metalorganic

    bath

    dopant

    Si H2 6

    mixing manifolds

    sample

    reactor

    susceptor

    lamp

    TMGa TMIn TMSb DMHy DEZn TBP TBAs

    mass flowcontrollers

    pyrolysisfurnace

    vent line

    input manifold

    thermocouple

    exhaust togas scrubber

    ������ ���� ��������� ����� �� ��� ����� ��������

    6�� ��

    �� ���! ��������� ��

    ���! �� �� ������ ��� ������! �� �� �����

    ��� ���� ��� (����.� ������ ��������� ��� ��� 7��� �� �������

    ���� ���� 7�� �������� +�&8�, ��� ������� 7�� ��� ���� �������� ����� ����� �� ��� (�� ��� � �� ��� ��9�� ������ ����� ���� ����� ����� /��� ����� ��! ��� ���� ����������� �� ������� ��� ������� �� ��� ����� �� �����(� ����� �� �����9��� ����� -� �:������ ��� ��� 7��� � �������� �����! ��� ����;��� � ���������� �� �������� �� �� ������� ��� ����� ��� 7�� ������ ��� ��9�� �������� ��� ����� �� ����� � � ���� ����� �� ����� ����� ��

    ������� � ��� 7�� (������� �� ������ "< ��=� � ��� ����� * ���� ��;! �������� �� ��� ������ �� ���������� ������ +>?3 ��

    , *� �� ����

  • �������� �� �� ����������� �� ���������� ����� � ���� �������� ���� !���"�# �!� �$��� �% ���! ������ �� ��� ��"������� ���!�� �!����&

    '!� ����� �� ������ �� !��(���� )��(���� ���� ��

    �!��� ���������& '!� �������� �� !���� �� ��%

    ��

    ������ %�� !���� ���&*� ����� �% !�! �����

    ���# �!� ������ ��������� ��������� �!��!���������� �������� ������� �� ��� ���! �!� ����� ��%��& +����

    ���# �������� ��������� ��� �� ��������� � ,������

    ◦C& '!��%��#

    �� ����� � �-����� ��� �% �������# ����� ���! �����

    ���� ���������

    �� %�� ��� �� ��!�� ����

    ◦C& .� �!� ����� ������ ���� ��

    �!�� ��/# �!� �0���� �����

    ��� �� ���� 1��◦C& '!� �����

    ��� ��

    ��������� �� �!��������� ������� �� �!� ��������& 2�� �� �!� �������$��� �% �!� � 3�� �!��! �!� ����# �!� ���� �����

    ��� � �!������ ��%�� �� �������� �� �� ���0������ ��

    ◦C ���� �!� �!� �!��

    �������� ���� � ���◦C ��4�& *�� �!� ���! �����

    ���� ���������

    �� �!�� �!���� � �!��������� �����& '!� � 3�� %�� �!� ����#�������� ���������� �% �!� �������� �������# �� �!� � 3�� %�� �!�"��� ���� � ������� �� �0!��� �!�� �!� ��0�� ������� � ������ ���0���(�� �� � ������&

    '!�

    �!��� �������� �% �!� ����� ��

    ��� �� !��� ������

    ����� ���� �� ��2 �� ��(� � �0����& * ������ ����� ��(� �� �!����/ �� �� ��2& '!� �����

    ��� ��� ���"�� %�� ����� �%�� ����!�� �� ������& '!� ����������� �%�� ��� ������������� ���������� �����!�� +*� 5�������6 � .�� 57�������6& 8�%�� �!� �����

    ������ ����� �� �!� ����# �!�� ��� ������ �� � ���

    ����� ��! 9�� ���!

    ������ �� �!�� ���������& :����)������# �!� �����

    ��� ��� ����� ���!�������(�� ��� �� ����� �� ���! ������& ��� �� �!� ���! �% �!�����0�� ����# �!� ������ ��� ������ � ����;��

    ◦C �� �!� �����

    ���� �� ���"� �!� �!�� ���"� ��%�� �0���& '!� ���!

    �� �% �!�����0�� ����

    ��� %�� �&� �� �&, ��

  • ������ ��� �� ������ ����� ��������� ���������� ������ ����� ���

    ����� ��������� � �� ��������� �� ���������� �� ����� � ����� ���� ���������������� ���� ����� ���� � ������� ���� �� ���� ��������������� ����� ��� �������������� ���� ����� �����

    ���

    ��������� �� !��� "�"� #� ������� ����� ����� �� ��������� �� ����

    � �� ��������� �� �� ���� ������ �� �� ����� �������� ��� �� ���

    ����� ��� �� �$������ #� ������

    �� �� ������� ����� ��$���� � ������������ ��$��� �� �� ��������

    islands

    wetting layer

    substrate

    ������ ���� ���������������� ����� �����

    %���

    �� ��� &���� '()* �� ��$����� ��� �� ������ ����� �� +� ����� �� ���(,,� � ��������������� ������� �� ����� ���� ������� ���#� ������ ������ � $������ ������������ �� �� ����� ����������������� �� ���� �

    ��� �� !��� "�-� #� ������� � �������� ����� ����� �� �$$��������� "× �� ���� ��������� ��� � � ����.�������� ���� � $������ ������� %���$� �� ���� ������� ���� ��������� ������� �� ����� ��� ��+��/+�� '(0*� ���/+�� '(1*� ���+��/�+�� '(�*� ��2/+�� '(3*� ���/��2 '(4*� ��� +���/+�� '",*��� � ��� ����� �� �$������ ���� � � ����� ������ ������ ���������� �� ������� ��� � �� ���$��

    ���� ��������

    ������ ���� &������ �� ���� ��������� ��� ����� ����������������� �� ����� ����� ���������� #� ������� ������� �

    ������ ��� ��� �����

  • �� �������� ���

    ���� ��������� ����� ������ �������������� ������� �� �� ��������� ���� � ��� ���� �������� �� � ���� ������

    �� ����� ��� ��8 �� ��11 ��−2 ���� ��� !�� ������ �� ��������� ���� ��� �� ������� � ������� �� � ��� � � ����� "��� � ���������� �� ��������� ��� ������ �� ��#� ��

    ��� � ��� ���� ����������� ����� �� ������ $����� ���� �%&�� ������� ��� ������� �� ���%&� ������ ��� ��� ����������� ����������� �������� � � � � ������� �� ��� �������� �� ������ ���

    ���� �� ���� ����������� ���������������� � �����������

    !��

    ���� �� �������� �� �������������� %&� ��'� ��� ������� �(�����'��� !��

    ���� ����������

    ���� ���� �� ��������� ����)��� ��'���� ���� �� �*���� ��� ����� ������ �� �������� �� ��� %&� ��+,�-� !��������� ������� ��'� ���� ���� ����� �.���� �� �� ��������� �� ���

    ���� )������ ��/� �0� 1 ��� ���� ���� ����������� ������ ��'���� ���� �� ���'� ��� �$�������� ������ ��� � � 2� ������ � 3� ���� ��45� %&� � 2�5� ��6� !��� �� ����� �'����� ���� �� ������� ����������� ������ �� ��� ������������� �� ����������� ���� )������ �������������� ��'� �� �� ��)� ��� ������ �+�� 7� �(������ �������

    ����� �.���� ��'� ��� ���� �� ����� ��� ���� ������ � ���

    ���� �� 45� %&� � 2�5� �+��

    4 ��� ���� �� 45� %&�

    �� � 48� ������������������ �5�98� �(����� �� ��'� � ��� �.��� � ��� ������� �� ������ !�� ���������� 5�98 �(���� ���� ������ � ����)� ���� �� 45� ��� ����� ���(������ ��� ������ ��������� ��-� +�� 4 ��� �(���� ����� 45� %&���'� �������� ��� �����'�� � ��������� 48 �� 5�98 �(���� ������������ ������ 45� ��������� �++� 1 ��� ���� ���� 5�98 �(���� ���� ���� �� ����� ��� ����� �������� �� ������� ��'����� �� 45�%&� �� �(���� ��� ������� ���� �� � ��������� *�( �+:� +-� !�� �(����� �.���� �� %& ����#����� �� ��)� ����� ���� ��� ��� �����

    ������ �+/�

    !�� �������� ������ �� � %& �� ������� ��� �������� %&� �� �� ��������� �� ���#���� ����� �� � )�� !�� �������� �������� �� %&�� � ���� ��� ������ �� ������� ��)� ���� ������ �� ��� � ��� ��'��������������� ���� �� ��� %& ���� ��� ������� ��� �� ���� ������'� ����������� ��� ��'������ $����� ���� ������ %& ����� ��'� ��� ����������� �� �� ��� �������� ��

    �� �+0� ;���� �(������ �� %& ��'����������� �� 45�948 ���� ����� ����� ������ �� � -- µ�� ����������� ������ ����� � ����� #��� � 45�948 ���� �+��� �� 45�92�5�%&� �� ����� ����� �(������� �+6� 7�������� 45�92�5�

  • �������� ����� ������� ������� �� ��� µ�� ��� �� � ����� ������ ��������� ��������� �� � �� �� ����� �� � ������������ ������ �������� !"# $�� �� �� ��� �� ��$ ��� ��� ��� ������� %&'(�

    ��� ������ ��� ��������

    "����� ����� ��������) �"*+# �� � ���� �� ���

    �� ���� ��������)� �$�� �� �������� �� �� ����� ������� ��� �������� $�� � ����� ,�� "*+ ������ �� �������) �� �� ������� �� ������� -� �������.����� ���) ������ ����� �������� �� �� ���������� �� �� ��������� � ������ ���� -� ������� ������ �� �� "*+ �)���� ���� ���� $��/ �� ��$ �����������) � *��� ��&� " ��� ������ ������ ������� ������� �� � ���������� �� ������ �� � ����� ������) �� �� �������� "����� ���� �� ��0����� ���� �� ���/ �� �� ��������� �� � �������� ��������� ��������� "� �� ����� �� ����� ��������) �) ��1��������� ������������ ���������� ������� �������� �2��� ������ 3�������� �� �� ��� 4����

    ������ � �� �� �� ����� �� ��������� �� ���� -� ����� ��0���� ������� ���� �� �� �������� �) �� ��������� " �������/ ��� �������� ��������� ����� ���� �� �������� �� �� �������� ��1��������� ���

    ���/���� �� ����� ���� ��0����� �� �� ���� ������ �� ��� /���� ������� ���$�� �� ���� �� �� ����� ������� " ������� ������ ���������/ ����� ������� �� ��� ���� ��������� �� �������� � ������� �� ������� ���������

    -� ������ ����� ��������� � ��� ����� $��� ��/� $�� � 5�� ��� 6����������� "*+� -� ��2���� ������� ��� ��1� �� ��×�� µ�2� �� ������� ������� �� 7��×7�� �2���� -� �������� ��������� �� �� �)���� ���� �� ���� �� '�� �� ��� �������� ���� ��������� �� � ����� �����)���-� ������� ���������� �)�����) � ��$ �� ����� � �� ��� �� ������ �� �� ������� �� �� �������� ��� �� �� ���� ��������� �� ������ ��� �� �������� ����� �� � ��������� �� �� ������� ������� ���� ��� -� �������������� ������������ ������� � ��� $��/ ��� �)�����)78&' � � ���� �� �''8�'' � � ��������� -�������� �� �)���� ������ ���.���� ��������� � �� ����� ���� �� ����� �����) �� ���������������

  • ��

    laser

    probe tip

    detector

    control unit

    beam

    sample

    movingsampleholder

    ������ ���� �������� ����� � ��� ��� ������

    ��� ������ ��������

    ��� ����� �������� � ��� ������ ���������� � ��� ��� ���� ����������

    �� �� �������������� � !"� ! � � ������ ��� ���� � �����

    ���������� ����� ������� ��������#��� ����" ��� �������� �� �$����

    ��� ������ ��� ����� � ��%���� ������� ��� �������� ������ &����

    ��������� � ��� ������ ������ ���� ��� ��� ���� � ������ ��������

    ������' �� ������� ����� ����(��� � �������(���� ��� ������

    ������ ����� ���� � �������' �� ��� ����� �������� � ��� �

    ����� ��� �������� ��������� �� )����� ��������� �������� � ���

    ������� ! � � ����������(� ������� ���� ��' ������� ��� ������� �$��� �������' � ��������� *������ � ������� ��� ����� �������

    ���' ��� ����� �$�����' ! ��� �(� ������� � ��� ���������

    �� ����$��� ��������� � ��� ������� � ��� ���

    ����

    �� ��� ! ���������� � ��� ���' ��� ������ ��� ������� � ���

    �� +���� � � ���������� ����� ������� �� �

    �� � �� ,� �� ���

    ����������(� ������������' ��� ������ ��� �$��� �� � ����� ����

    ����� � � ��� � ����$������ -�� µ� � ������� �� ����� ���������� ���' ����� �� ������ ����� ������ �� � ��(������� � .// �� � �

  • ��

    ������������ �������������� ������4 ���� �������� �� ��� ��� ���

    ���������� �� ��� ������ �� �������� ��� � ���������� ���

    ����� �� � �������� ����� ���������� ����� �� ������ ������� �� !!

    "� ��� ������ �� �����#�� �� � ��$��� �����#� ������� �� � ������

    � ���� ���������

    ��� ���������%�� &' ����������� �� ������ �� �(����� ��� ����

    ��� ��� ��) � ������ �� � �������$�� ���������������� ���� �� ���

    �%������� � *)) ��� ��� ���������� ��������� �� ������� ��� �

    ����� ��������� ����� �������������� ��� ������

    ������ ������ ����

    ��� ������� ��������� ��� ����(����� ������� ��������� � ��� ����

    ��� �� �) ���

  • � ����������� ���

    �����

    ���� ������ �������� ��� ������ ������ � ����������� � � ��� � ����������������� ��� ��������� �� ������ ������ ��� ����� � �� ��������� ����� ��� �������� � ��������� ������ �� ��� �� ������

    � ������ �!� "����� �# ������� ��� ��������� � ����� ��������������� ��� �� ������� � ���� ��$� "����� � �������� ��� �������� �� �������� ��� ����

    ��� ����������� ����� ����

    %� �� ��� ������� �� ��� ����&�������� ����� �� ���&�������� ���&��� ���������� �� ���� � �

    ���� �� ��� ��'� � ����(� ���� �������� �� ��� �������� �� �� �������� � ���� �)����� �� ���� ������� ��� ����&�������� ��������� �� ��&��$�� � ������&����� ���� $���� ������ ���� � �)����� �� ��� �� ��������( �� ���� � ���� �!�

    *�� �� ���� ����( ��

    ���� ������(� ��� �������� �������� �� ���

    �+� ��� ����� �� ��� ���� �*� � ��( �������� ��� ������ �� ������ ������� ,�) � ��� ����� �� � �� �� ��� �� ��&����� �����&��� ����� ��������� ���� � ����� ��� ����� -./� 0��������(� �������������� ������� ����� �� ��� ������&1��� �+��� -2!/ ���� ��&����� ���� ���������� � �)�������� ������ -2#322/� ���� � ������������� ������ �� ��� ��� ����� ������� -24/ � � ���� ��������)������ ������ ����� ����� -2./ ���� ��� ����� �� ������������ ��� �*�� ��� ��&����� ������(� ������ ���� ��� �������� �������� ��������� ��$� ��� �������� ������� �� ��� ����&����� �� ���� ������ -25/� � �

    ���� �� ���������� ���� ���������� ���� ���� ��� �������� ��� �������� ��������� ���� �� ��� -26/�

    ��� ����&�������� ����� �� ���������� ��� ��� 7�� ������� �( 8�&�9� �� ��� �( �������( ������ ��� ����� ���� 8��� -2:/� *�� �� �����)&

    !#

  • ��

    ������ ���� ��� ���� ���×��� µ�2 �� ����� ������� ������� ���� �� ������� ���� �� �� �� �� ����� � �

    ��� ��! ����������� !�"����� �� �� ��! #� �����$ �� ���� �� �� ��������%����! �����!� ������ ���� � �����&��' ���������% !����� � ���(�� ����&�������$ �� ���(� �����������% �� ���� ��)� �����!��� �� � '����� ��!��� �� *+ ��������� �,- $ �� ����� (���� �� ��� ����� ���� #� ������� �%����� ���(�� ���������$ !�"�� ���(��!� ���� �� ������� �����! ��&������ ������ � ���!� �� � �����$ �� ���� ���� �� �� *+� ������� �� ������%! ����������� �� ��x#�1−x�� �,� �

    (a)

    (b) (c)

    GaAs

    InAs

    In Ga Asx 1-x

    ������ ��� .������� �������� �� �� ��������� �� ��#���*+� �� � ����� �� ������� ������� �� �� ���� �����! � �% #����

    � ����� ���� �� !�"��! ���(��!�$ ��! � � ���! �� ��� �� ����!!�� �� /��� �� ���! �� +��� ��0$ ,-1,)

  • ��

    � ���������� ���� ���� ��� ����� �������� �������� ��� ��� ��������� �� � ������������ ����� �������� ������� ��� ���� �� ��������� ������ ���� !������ ����� ��"� ��#� ����������� ��� ������� ��� ���� ��� �������� �� $�%��� &' �������� �� �#��#� �������� ������ �� $� �� $���� ������� ����� � ��� ������ ����� ����� �"�� (�� ����

    �� �� $� �� %� ���� ����������� ���� ������ $�%��� ����

    )����������#������ �� ���������� ����������� ������������ ��#� ����*��� ���� ��� $�%���+%��� &'� ���*�� ��������� �� �����,� ������������� �-� �� � �������� �� �� �������� ������� *��� ��� ������� ������� ����� ����������� �� � ������ � ��� &' ����� ����� ���� .��� �������� �������� ��� L = −1 ���� /0 ����������� ����� �� ��� ���������

    ��������� � �������������� $��� &'� ��#� ���� ���� ����� ��� ����

    1�� �������� �������������� ���������� �������� �������� 23(456 ��7��� ������� �������� �������� 23�8(56 ��-� ����� �� ����,� ������ �� &'� ��#�

    ��� ��������� �� ��� ����������� ��������� �� ���$�2%�6�� ���� $� ��� ������� ���� ��� ��������� ��������� �� ��� &'���������� ��� �� �� ��� ������� ��������,� ������ ���� �� ��� ��,��� ���� � !� " � 2�6 (�� ����������� $�%��� �� 2������ ���6���� � ��� ��� �� ��� 9������: ������� ������� $��%� ����

    ��� � ���

    ���� �����#� � �!5 ������������ �� ��� ������� &' ������� �� ����������� �� ����,� ����� �� ����� $�%���+%��� &' ����� ��� ��#����� ���������� ��7�

    $� ���� �� ��� ����� �� ��� ��������� �� ���������� ��������� �� &'����� ��������� ������ ��#� �������� ����� �������� !�� �������� �����

    �� �� ������ ���� ���� �� ��� �� ��� ������ %��� ��� ��� �����#� ��������� ��� �������� �� $�%��� &'� � ������ ��� ������� ;���� ��%� ��

  • ��

    ��� ����� � ����� ����� �������� �� ��� ����������� ��������������� ������� �� � ��� ���� � ��� ��� ����� �� � �� ��� ����� ������������ �� !" #� ��� �������� ���� � ����� ��� �������� � ��� �����

    ������ ���� ������ �������� ��� ��� ��� � ��� �����

    � ������ ���$ ����� ��� ������ ������� �� � ������� � �����" ������������������ ������ ���������� ��� ������% �� ����� ��� ������� ��� ����$" ���� �� ��� �

    �� ��� � �� ��� �$ ��� ������ ����� ��� �����

    ����� �������� ������� ��� ��� &����� ���������" '�() ��� ������� �������� ������������ *($�+ ������������ ���! ��&� ���,���� ������������� �������� ��-�� ���� ������� ��� � ������ ���� ��� ��� ���$"

    .� ������ �������% ����/��.� ��0! ��� 1���/2��� ��3! ���� ��&� ������������� ����&�� �� ����� ��������" 4���&��% ��� ������������ � ���������� �������� � ����� ������ ������� ��� ��� ��� �

    � �&�&��"5��

    �% ������ ������ ��� ���� ���� �� ������� ����� ���������������.�/.��.� ���� ��6! ��� ��������� ����� ���� ���!" #� ��� ������������% ��� ��� ������� � ������� �� ��.� ������

    7���� �� ��� ����� ��� �� ������ ����� .� 8��"

    ��� ��������� � ����� ����� � ���

    ����������� #�.� 9������ ���� �� #�: ��&� ���� ����� �� �� � ������

    �� ������ ������ �� ������� ��&��� �������� ������ ��� ��&����������� � �"�� µ� �� ,��� ���� ������������ �3;% ��!" ���% ���������� ��� ������������ ��������� � 9������ ���� *��&���� � ��� ���&���� ������+ ��-�� #�.�/#�: ��� �� ��������� ���� �� �����" :��&����%��� ����� ��� ��������� � #�.� �$� ��&� ���� ���,�� �� .�/: ��������� � ����� �� ������ ���� ������ ������ �36% 3�!" #� ��� �����% .�/:������� ��� ���� �� �������� ��� #�.� �$ ��������� ��� ����

    -� �������

    -�"

    #� ���

    ����� #% 9������ ���� ���� �������� �� �����

    �� �������� #�.��$� � � ���������� ������" ��� ������" 5�

    ���� ���

  • ��

    ��������� � ��� ��� � ���� ���� � ���� ��� �������� �� ������������ �� ���� ����� ��� ����� ��������� ��� ��� �������� �� ��!" �������������� �� ������� � ��� ���� � ��! ���� #�����" � �������������� � ������ ��� ���� ���� ����� ���� ��� �� �������� �� ��!"

    ������ ���� ������ ���� ����������� � ��� � ������� $�%������ ���� ���� ����� ������� �� $�% ������ � ��! ��& ������ �� '��

    ◦C" ��� ������� ����� � ��� ������ �� �"( µ�×�"(

    µ�" )��� ��� ��*���� #������� ������"

    +����� ,", $�% ����� ��� �+- ����� � ��� ������� ��� � ������" ������� ���� � �#����� ������ � ./ �� � ���� �������� � ��� �� �� ������ �����0 � �"/×108 ��−2 ��� �����#��" +�� ��� ������ ���� � +��",", $�%� ��� ��������� ������� ��� ��� � ������ ��� ��*����1 ��� ������� ��� ������ �� & � � ��! �� '��

    ◦C ���� ����� ��� ����������� ���

    ������ ���" ��� �+- ����� ������0 ����� ���������� ���������� $2�%/3�� � � ������" ��� ����� �����0 � ��� ������ �� 4".×107 ��−2" �����*������ ������ ��� � �� ��� 2 ���������0 ��� ��� ���������0� ��� �+- ����� ������ ���5��� � +��" ,"(" ��� 2 $����� ���% ��� �������� ����� ���� �� ��� ��� �� ����� ��������� ��� &� � �� ,,��� ��������#��0" 6������� �� ��� ����� � ��� ������� � $������ ���%��� �� �� ���� ���� ���� � ��� 2 �������� ��� ��#�� �������� ��� ��������� ��� �������" ����� � ��� �+- ����� ��� #������ � ��� � ��

    2 ���� ��������� �� �� � ��� ���� ��������"

    ��� �����#�� ����������� ��� �7������ �0 ��������������� ������ ���

    ���� �� ��8! �7�����" �� ��� ������0 ������� � ������ ,"� ���� ������ ����������� ��� ��� ��������� �� �7���� ��� ������� � 9�:�89�

    2� ;��

  • ��

    ������ ���� ��� ����� ����� ������ ��� ����� � �� �� ���������� �� �� ���� �� ���

    � ���� ��� � � ������ ���� ���!�� "#�

    ◦C$ %� ��� ���&� ����������� ����� �� � � ���!�

    � "'�◦C� ��� ����� � �� �� �� ��� � �� � �� �������$ %�

    �(�)� �� �*� ��� �����+ �(,�$ ��$

    ��-����� � � �� � ����� ����.��/ �� �� �� ��������+ (���)���,��� ��� ��/ ���&�$ %�(�� �� �� ����!� �� ����� ���! � ���� ��(��� / �)����(�� �+ &�(�� !���� �(&��� ����� � �(���� �� ������� �0"�$ �� � ����� ��� � �� �����&���� �� �� ��!� �� !�,��� +���� �12/3 ���&� !��(�� ���� �� � �,��� �� ���( 2-����� *��$

    � ���!��� ������! �� � ����� � ���!���� ����� �� ���&� �� ���$0$"$ 4�� %5�� �� �&���� � %5/� ��./ -����� ��� �� ����������� �� ��!� ���! � ���� ��

    �� ���$ %� �� ����!� !���� �&����

    � ,�� �� � ���� ������ &�� � ����� ��

    �� ������ �� ����� � ��/�,�� ��� �� ����������� � �� ��������+ !�� ��)���,� ��$ ������������,(��� �����(� ��� (��� � ������ ���� ������ ��� )������$

    � &�� ���� �,��)� �� (,������� � �� � �� �� !����� ������,(����� � ��������� �������!���� ������ �� � !��(� �� ������$

  • ��

    In

    InAs

    InP

    TBP

    P As(a)

    TBP

    P As(b)

    TBP P As

    (c)

    ������ ���� �������� ����� � ���

    ������� �����������

    � �� �������� ��� ��� �� ���� ��� ������� �� ���� ���������� ������ �� ��� ��� ��� ���� ����� ��� �� ���� ��� ������!���� �� ��� �������� � ��� �� �� ��� "�� �������� ���#������ ��������� ������� ���� ��� ���� ���� ���� ���

    ��!!���� $!���� �%�

    &�� �������� ���!�������' ��� ���� �������� $(�% �� �� ������� ������� ��

    �' ��� ���� ��!��� ��� ����)� ����� #��)��' ������� ���� �� *+,

    ◦C ��� ������ ������� � ��� $� � ,% ������ -��

    ������� � ������� ��������� �� ��� �.# ���� ����� !�/��� � ������� � .�� 0�+� ��� � ���' � �� ��� ���� ���

    ������� ���������������� � ��

    ����� �� 1���� �2����� -�� ���� �����!����� ��

    ����� ���3��� ������� �� �4 ������ � ��� �1��� � ��!���!����� �� ��� 1���� �� ���������� �������������� 5 �)��' ���� ����' ��� !��� ���������� ��� ��� ������� ���� ��� �4 ����� �� ��� ������� ������ � ��� �� �� ���!��� � � !����� ��!!������� � ���3�' �� �� 2�� � !������� ��!�������

    ��� �������� � �� ���� ��� ������ ���

    �� !������� ��' ��� !������� � ��� ������4 ����������� �� ����� �� ����� ��� �� �� !����� ������ � !������� �� -�� ����!������� �� ����� � �������� � -6� ��� )��� � ��� �������������� �� )���� ��!������ -�� �)���� �� ����)� ������� ������ ���� �����!� �� !������������� ������������� .�� ��

  • ��

    � ������� ����� ��������� �� �� ��������� �� � ������ ������� ������� � ���

    ◦C �� �������� ������� ��� �� �� �� ������� �� ���� ������

    ����� �� ����� ��8 ��−2�

    40 nm

    10 nm 10 nm

    10 nm

    (a) (b)

    (c) (d)

    ������ ���� ���� ���� ����������� !���×��� µ�2" �� !�" ��#����� �� � ������� ��� ������� ������ �� $%& � !�" �'�� !�"���� ��� !�" ���

    ◦C� (� � ��)�� *����� ���� �� !�" +����

    ��,�

    $� )� �� � �������� ����

    � �� � ���������� �� � -.� ����

    ��� /��� �� � �������� �� �� �� � ����

    � ��� ��������� � ���

    ◦C �� � $% � 0�� � ��� �� � ������ ������� �� ���#

    ���� �� � �������� ����

    �� $��� $%& ��� ������� � ������ �� � ����

    � ��� ����� � ������ $� ��*���� � ���#������� �� � -1#�#-. ������������ ��� ��������� ����

    �� ���2��� ����

    � �� � �������� �� ��� *���� ��� �'� ������

    ◦C� 3��� 4�� ����� 3� ����� �� !�" � ��#����� �� � ������� ���

    -.� ������ � !�" �'�� !�" ���� ��� !�" ���◦C� (� � ����� *�����

    ���� �� �� �� �� 3��� 4�� !�"� $� ���� �� � ������ ��� ���� ������

    � ������ �� �


Recommended