分子束外延生长InSb/GaSb纳米带及其光致发光特性*
1. 概述
本工作报道了在（001）GaSb衬底上用分子束外延（MBE）生长InSb/GaSb纳米带的生长和光致发光（PL）特性。InSb生长过程中的原位反射高能电子衍射观察表明，InSb在GaSb表面的生长处于Stranski-Krastanov模式，并导致纳米带的形成。所获得的纳米带具有高度为25.2±4.0nm的矩形基底，并且沿[110]方向伸长。掩埋InSb/GaSb纳米带的PL发射在~1850nm（0.67eV）处显示出发射峰值。根据发射能量和结构信息，估计名义生长的InSb/GaSb纳米带中In含量较低，约为0.24。功率相关的PL光谱显示了积分PL强度和激发功率之间的线性关系。从温度相关的PL光谱中提取了InSb纳米带发射的热活化能约为20meV。
2. 样品制备
在本工作中，使用传统的固体源MBE在（001）GaSb衬底上（来自中芯晶研）进行生长。在（001）GaAs衬底上用RHEED振荡实验标定了Ga和In的生长速率。在整个生长过程中对原位RHEED模式进行监测。首先，在540℃的温度下生长300nm的GaSb缓冲层。生长过程中提供了~5.4×10-7 Torr的Sb通，且V/III通量比保持在1.2。采用了低生长速率（0.013mL/s）的InSb，以实现纳米结构。InSb生长过程中，衬底温度保持在270°C。InSb层生长为3 MLs，生长持续时间为3分钟50秒。通过原子力显微镜（AFM，Seiko SPA-400）在空气中的动态力模式下冷却具有未封端InSb纳米结构的样品以进行结构表征。生长另一个类似的样品并用180nm的GaSb层覆盖以进行PL光谱。在PL装置中使用了一个可变温度的闭合循环低温恒温器、一个光斑大小约为200m的Ar+（514.5nm）激光器和一个液氮冷却的InGaAs光电探测器。锁相放大器和光斩波器用于提高PL信号的质量。
图1 InSb/GaSb纳米带阵列的典型低温（20K）PL光谱：用三个高斯函数拟合了光谱，并将其归因于InSb纳米带阵列（0.6698eV）、InSb WL（0.7360eV）和GaSb体（0.779eV）的发射。它们分别标记为P1、P2和P3。InSb/GaSbnano条纹峰的宽线宽（74meV）
图2 InSb/GaSb纳米带阵列的功率相关PL光谱：激光功率P在10mW的步长内从10到60mW（~32到192W/cm2）变化；插图显示了从高斯函数获得的P1峰值的总积分PL强度，该函数拟合为激发强度Iex以及激光功率P的函数；实线是实验数据的线性拟合
图3 在20、50、80和100K下获得的温度相关PL光谱，恒定激光功率为60mW：InSb纳米带、InSb WL和GaSb的发射分别标记为P1、P2和P3；插图显示了InSb（P1）的积分PL强度的Arrhenius图，其热活化能为 ~20meV
3. 结论
研究了在（001）GaSb衬底上生长的InSb/GaSb纳米带的MBE生长和PL特性：
1）原位RHEED观察表明，InSb纳米带在（001）GaSb衬底上以Stranski-Krastanov模式生长。所获得的纳米带具有闭锁的金字塔形状，并且在[110]方向上伸长；
2）PL光谱揭示了埋藏的纳米条纹的长波长发射。根据发射能量估计，在封端的In（Ga）Sb纳米带中，In的平均摩尔含量较低，约为0.24。此外，还观察到InSb润湿层和体GaSb的PL峰。功率和温度相关的PL光谱显示了掩埋纳米结构的额外光学性质。
这项工作将提高InSb/GaSb在电子和光子应用中的利用率。
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