Study of electrically active defects in structures with InAs quantum Dots in GaAs matrix

Abstract

In this work, InAs(QD)/GaAs(001) structures are analyzed in order to identify the conditions for plastic strain relaxation via dislocations. To this aim samples with a continuously varying coverage, going from 1.5 to 2.9 ML, have been studied mainly by means of electrical characterization and with the fundamental support of structural TEM analysis, PL measurements and AFM. In the whole coverage range small-sized coherent QDs are formed with diameters and densities that increase up to 15 nm and 2E11 cm−2, respectively. At the same time, for coverage above 2.4 ML, large-sized QDs with diameters of 25 nm and densities ranging from 2E8 to 1.5E9 cm−2 coexist with small-sized QDs. We explain the formation of large-sized QDs as the unavoidable consequence of ripening, as predicted for highly lattice-mismatched systems under thermodynamic equilibrium conditions, when the coverage of the epitaxial layer exceeds a critical value. The fraction of ripened islands which plastically relax increases with coverage, leading to the formation of V-shaped defects at the interface between QDs and upper confining layers that propagate toward the surface. The relaxation of those incoherent islands substantially affects the properties of QD structures by (i) reducing the free carrier concentration near the QD plane, (ii) formation of deep levels with typical features related to extended structural defects, and (iii) considerably quenching the QD photoluminescence intensity. Moreover a preliminary work on Scanning Capacitance Microscopy measurements on these structures have been carried out. The first tests demonstrates a sample ageing due to many hours of ambient atmosphere exposition.

In questo lavoro sono state analizzate strutture di InAs(QD)/GaAs(001) per identificare le condizioni in cui avviene il rilascio plastico dello strain. Con questo scopo sono stati cresciuti campioni con un coverage gradato da 1.5 a 2.9ML. Questo studio è stato effettuato principalmente con tecniche di caratterizzazione elettrica, coadiuvate da analisi strutturali tramite TEM, misure di PL e AFM. In tutto il range di coverage esplorato abbiamo riscontrato la presenza di piccoli quantum dots di tipo coerente con diametro e densità che arrivano rispettivamente a 15nm e 2e11cm-2. Contemporaneamente, per coverage superiori a 2.4ML, sono state osservate isole di maggiori dimesioni con diametro fino a 25nm e densità che vanno da 2e8 a 1.5e9 cm-2, che coesistono con i quantum dots più piccoli. Abbiamo spiegato la formazione di questi QDs di dimensioni maggiori, tramite l'inevitabile fenomeno del ripening, come predetto dalla teoria in sistemi con alto mismatch reticolare ed in equilibrio termodinamico, quando si supera un valore di coverage critico. La frazione di isole ripened che rilasciano lo strain in modo plastico, aumenta con il coverage, portando alla formazione di difetti a V, all'interfaccia tra QDs e lo strato di confinamento superiore. Questi difetti si propagano verso la superficie. Il rilascio di strain inficia le proprietà delle strutture a QDs (i) riducendo la concentrazione di portatori liberi vicino al piano dei QDs, (ii) formando livelli profondi che mostrano le caratteristiche tipiche dei livelli associati a difetti estesi e, (iii) riducendo in modo significativo l'intensità di fotoluminescenza dei QDs. Inoltre, durante il periodo di tesi, è stato fatto un lavoro preliminare di implementazione della microscopia a scansione di capacità su questi campioni. I primi test hanno mostrato che l'esposizione all'aria dei campioni ne compromette la misurabilità.