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Quantum Dots; Surfaces; InAs; GaAs; Molecular Beam Epitaxy; Scanning Tunneling Microscopy; Photoluminescence
Abstract:
The present thesis has been devoted to the investigation of self-organised InAs quantum dots (QD) on four high-index substrates: GaAs(113)A, B and GaAs(2 5 11)A, B. The samples were prepared by molecular beam epitaxy, and characterised by in situ scanning tunneling microscopy (STM), electron diffraction and photoluminescence (PL). The Stranski-Krastanow (SK) growth mode occurs on all investigated surfaces. The symmetry of the QDs derives from the bulk-truncated substrate that proves epitaxial growth during and after the SK transition. The QD ensembles on the B faces exhibit a narrower size distribution (SD) and larger density than those on respective A faces. InAs QDs on GaAs(113)A are given by {110}, (111)A and {2 5 11}A bounding facets and a rounded region due to a stacking of vicinal (001) surfaces. Later in the growth this shape alters by an elongation with a size reduction of the (111)A facet, induced by the flattening of the rounded region with {113}B facets. An undulating morphology of the bare GaAs(113)A and of the wetting layer (WL) accounts for a broad QD SD and low density. InAs QDs on GaAs(113)B evolve with a central steep part sitting on a flat base. The shape of the central part is given by {110} and (111)B bounding facets, and a (001) rounded region. High-index {135}B and (112)B facets are derived for the flat base. The flat morphology of bare GaAs(113)B is retained in the InAs WL. The QDs grow simultaneously with an equal rate everywhere that results in a narrow SD and high density. A remarkable feature of GaAs(2 5 11)A is the formation of GaAs(011) step bunches found on nominal and vicinal substrates. STM images from vicinal GaAs(2 5 11)A reveal 3D InAs islands, sitting on the step bunches with a very broad SD, that is believed to be characteristic for incoherent islands. It is confirmed by a low PL emission intensity. On nominal GaAs(2 5 11)A, the islands grow with narrow and broad SD. The latter stem from the islands appearing on the (011) step bunches. The narrow SD is ascribed to the coherent QDs which exhibit the same shape as those on GaAs(113)A except for a missing mirror symmetry. However, the PL shows similar spectra for vicinal and nominal GaAs(2 5 11)A. The GaAs(2 5 11)B surface, which structure has been determined in this thesis for the first time, yields a uniform InAs QD ensemble with a high density. The shape of the QDs is mainly the same as that on GaAs(113)B, except for the missing mirror symmetry. The QD PL peak exhibits similar intensity as reference InAs QDs on GaAs(001), but with smaller energy and linewidth, indicating a smaller sized and more uniform QD ensemble. A red shift of the emission energy has been achieved by using a modified preparation.
Die vorliegende Dissertation ist der Untersuchung der selbst-organisierten InAs Quantenpunkte (QD) auf vier Substraten, GaAs(113)A, B und GaAs(2 5 11)A, B, gewidmet. Die Proben wurden mit Molekularstrahlepitaxie präpariert, und mit in situ Rastertunnelmikroskopie (STM), Elektronenbeugung und Photolumineszenz (PL) untersucht. Der Stranski-Krastanow Wachstummodus tritt auf allen untersuchten Oberflächen auf. Die Symmetrie der QDs ergibt sich durch die Symmetrie des Substrates und beweist damit das epitaktische Wachstum. Die QD Ensembles auf B Flächen zeigen schmalere Grössenverteilungen (GV) und grössere Inseldichten als die QDs auf B Flächen. InAs QDs auf GaAs(113)A werden durch {110}, (111)A und {2 5 11}A Facetten und einen gerundeten (001) Bereich begrenzt. Diese Form wird später durch eine Verlängerung unter Reduzierung der (111)A Facette, verändert. Dabei tritt eine Abflachung des gerundeten Bereichs durch {113}B-Facetten auf. Die wellige Morphologie von GaAs(113)A und von der InAs-Benetzungsschicht (WL) erklärt die breite GV und niedrige QD Inseldichte. InAs QDs auf GaAs(113)B wachsen mit einem steileren zentralen Teil, der auf einem flachen Sockel sitzt. Die Form des steilen Teils wird durch {110} und (111)B Facetten und einen (001)-vizinalen Bereich gegeben. Die {135}B- und (112)B-Facetten rahmen den flachen Sockel ein. Die flache Morphologie von GaAs(113)B bleibt in der InAs WL erhalten. Deshalb wachsen die QDs überall gleichzeitig und erbringen eine schmalle GV und hohe Inseldichte. GaAs(2 5 11)A wächst unter Bildung von (011) Stufenbündeln. Nach Aufbringen von InAs zeigen STM Bilder von vizinalen GaAs(2 5 11)A Oberflächen 3D Inseln, die genau auf den (011)-Stufenbündeln sitzen. Ihre sehr breite GV ist typisch für die inkoherente Inseln und wird durch eine niedrige PL Intensität bestätigt. Auf dem nominalen Substrat zeigt die GV einen schmalen und einen breiten Anteil. Der letztere stammt von den Inseln auf den Stufenbündeln. Der schmale Anteil wird den koherenten QDs zugeschrieben, die nahezu die gleiche Form wie die QDs auf GaAs(113)A aufweisen. Jedoch zeigt die PL ähnliche Spektren für vizinale und nominale InAs/GaAs(2 5 11)A Systeme. Die GaAs(2 5 11)B-Oberfläche, deren atomare Struktur zum ersten Mal in dieser Arbeit bestimmt wurde, ergibt ein homogenes InAs QD Ensemble mit einer hohen Inseldichte. Die Form der QDs ist dieselbe wie für die QDs auf der GaAs(113)B Oberfläche bis auf die fehlende Symmetrie. Die PL Spektren von InAs QDs auf GaAs(2 5 11)B und GaAs(001) weisen ähnliche Intensitäten aber kleinere Werte für Emissionsenergie und Linienbreite für GaAs(2 5 11)B auf. Eine Rotverschiebung der Emission wurde durch geänderte Wachstumsparameter erzielt.
