摘要: Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点、量子环是半导体材料中最具代表性的低维结构体系，由于其在集成光电子器件、电子学器件、固态量子调控、量子计算、量子密码通信器件等诸多方面有着十分广阔的应用前景，成为国际上的重要研究领域。将这类低维结构材料应用于器件... 展开 Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点、量子环是半导体材料中最具代表性的低维结构体系，由于其在集成光电子器件、电子学器件、固态量子调控、量子计算、量子密码通信器件等诸多方面有着十分广阔的应用前景，成为国际上的重要研究领域。将这类低维结构材料应用于器件的前提和基础是实现高质量的材料制备，量子点、量子环的生长研究是其中十分重要的研究方向。本文针对目前半导体量子点、量子环结构制备研究的现状和难点，探索了GaAs基量子点和量子环的外延生长，在低密度长波长InAs自组织量子点、GaAs量子环的分子束外延生长研究方面获得了一系列进展，主要研究内容和成果如下： 1)采用低生长速率(0.001ML/s)分子束外延技术，在优化的生长温度条件下，获得了极低密度0.5/μm2的InAs/GaAs自组织量子点(原子力显微镜测试)，光致荧光谱(PL)测试表明量子点室温发光波长超过1300nm，达到当年文献报道的国际最好水平。 2)为直接利用高灵敏度的Si探测器测试单量子点发光谱，探索了量子点发光波长的高温快速退火调整技术，在发光强度没有明显下降的情况下，量子点的发光蓝移超过270nm。首次采用微区聚焦光谱直接测试了无任何隔离加工工艺的单量子点光致发光，77K下谱线半高宽仅150μeV，与理论上预计相吻合。 3)制备了分布布拉格(DBR)微腔与InAs量子点耦合单光子源器件结构。PL谱测试表明DBR共振腔对InAs量子点与腔模对应的发光峰强度大大增强，而偏离腔模其它发光模强度被极大地抑制。国内首次利用HBT(HanburyBrown-Twiss)强度关联光谱系统成功观测到低温下(8K)单个InAs量子点的单光子发射，发射波长932nm，发射速率大于10KHz。 4)研究了异变(metamorphic)过渡层上生长1550nm波段双叠层InAs量子点结构。通过优化量子点的生长速率、温度和淀积量，在这种异变层上生长了双叠层InAs量子点，在国际上首次成功地将量子点发光波长拓展到1530nm。原予力显微镜AFM测试表明量子点密度达到1010/cm2范围，表明我们研制的长波长量子点已经很接近制备激光器的条件。 5)在国际上独立地研究发现了GaAs衬底Al0.3Ga0.7As过渡层上分子束液滴外延法生长出GaAs量子环等多种结构。研究发现当改变Ga液滴晶化温度时：(a)晶化温度小于150℃，Ga液滴形成了高密度小尺寸的GaAs量子点；(b)当晶化温度为200℃时，形成了GaAs量子单环；(c)当晶化温度为300℃时，形成GaAs量子双环；(d)当晶化温度为400℃时，形成类中国古币状GaAs纳米结构。还发现当改变Ga液滴晶化As压时：(e)As束流5×10-7Torr，首次发现量子双坏发生两两耦合；As束流2.5×10-7Torr，量子双环发生三环相互耦合。 本文讨论了这些新奇纳米结构的生长机制。 以上研究成果对实现量子信息加密和量子通讯的实际应用有着很重要的意义。 收起