Density control of GaN quantum dots on AlN single crystal

Abstract

Full control over the density and emission properties of GaN quantum dots (QDs) should be feasible, provided that the growth proceeds in the Stranski-Krastanov (SK) growth mode. In this work, we derive the phase diagram for GaN QD formation on AlN by NH3-molecular beam epitaxy and analyze the corresponding optical signature by micro-photoluminescence (μ-PL). Interestingly, the growth window for SK-GaN QDs is very narrow due to the relatively small lattice mismatch of the GaN/AlN system (2.5%), constituting a fundamental challenge for QD growth control. By relying on bulk AlN single crystal substrates, we demonstrate QD density control over three orders of magnitude, from 108 to 1011 cm−2 by changing the growth rate. In contrast, the QD density is pinned to 2 × 1010 cm−2 when growing on AlN/sapphire templates, which exhibit dislocation densities on the order of 1010 cm−2. Thanks to QD densities as low as 108 cm−2 on bulk AlN, we can probe the emission of spatially isolated single GaN QDs by μ-PL on unprocessed samples.

Dark-level trapping, lateral confinement, and built-in electric field contributions to the carrier dynamics in c-plane GaN/AlN quantum dots emitting in the UV range

“…Long-lived optical ori- * mathieu.gallart@ipcms.unistra.fr entation was also experimentally observed [13]. Such experimental accomplishments go hand in hand with strong efforts regarding QD growth in order to control their structural parameters, especially their size and surface density [14,15]. A fundamental and intrinsic feature of wurtzite GaN/AlN quantum nanostructures remains the presence of a strong built-in electric field along the [0001] growth direction.…”

Преобразование элементного состава на поверхности 2D слоя GaN при формировании квантовых точек GaN

“…Полученные кинетики интенсивности 3D рефлекса при отключении аммиака, а так же при последовательном изменении температуры ростового слоя позволили выявить некоторые особенности при 2D-3D переходе, которые в полной мере не описываются существующей теорией, развитой в работе Mariette [2].В модели равновесия Mariette [2] 2D-3D переход определяется соотношением энергии псевдоморфного слоя GaN -E2D и энергии релаксировавшего GaN слоя -E3D, покрытого 3D островками, и образование 3D островков энергетически выгодно, когда E2D>E3D. Исходя из этого, авторы [3,4] предположили, что во время роста в потоке аммиака энергетически выгодным является послойный рост, а при отключении аммиака энергетический баланс смещается в сторону 3D островков. Однако причины смещения энергетического баланса, а так же процессы на поверхности GaN приводящие к этому, в работах [3,4] не рассматривались.Для выяснения процессов, вызывающих 2D-3D переход на поверхности GaN, мы рассчитали изменение химического состава поверхности и поверхностной энергии GaN после отключения аммиака.…”

“…Исходя из этого, авторы [3,4] предположили, что во время роста в потоке аммиака энергетически выгодным является послойный рост, а при отключении аммиака энергетический баланс смещается в сторону 3D островков. Однако причины смещения энергетического баланса, а так же процессы на поверхности GaN приводящие к этому, в работах [3,4] не рассматривались.Для выяснения процессов, вызывающих 2D-3D переход на поверхности GaN, мы рассчитали изменение химического состава поверхности и поверхностной энергии GaN после отключения аммиака. Результаты расчета поверхностной энергии 2D слоя GaN после отключения аммиака для различных температур представлены на рисунке.Рассчитанные зависимости позволили описать кинетику 2D-3D перехода при различных температурах, измеренную с помощью метода дифракции быстрых электронов на отражение.…”

“…В модели равновесия Mariette [2] 2D-3D переход определяется соотношением энергии псевдоморфного слоя GaN -E2D и энергии релаксировавшего GaN слоя -E3D, покрытого 3D островками, и образование 3D островков энергетически выгодно, когда E2D>E3D. Исходя из этого, авторы [3,4] предположили, что во время роста в потоке аммиака энергетически выгодным является послойный рост, а при отключении аммиака энергетический баланс смещается в сторону 3D островков. Однако причины смещения энергетического баланса, а так же процессы на поверхности GaN приводящие к этому, в работах [3,4] не рассматривались.…”

“…Исходя из этого, авторы [3,4] предположили, что во время роста в потоке аммиака энергетически выгодным является послойный рост, а при отключении аммиака энергетический баланс смещается в сторону 3D островков. Однако причины смещения энергетического баланса, а так же процессы на поверхности GaN приводящие к этому, в работах [3,4] не рассматривались.…”