-
TKK Dissertations 23Espoo 2006
GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURESDoctoral Dissertation
Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics Laboratory
Jaakko Sormunen
-
TKK Dissertations 23Espoo 2006
GROWTH AND MODIFICATION OF PLANAR AND SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURESDoctoral Dissertation
Jaakko Sormunen
Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission of the Department of Electrical and Communications Engineering for public examination and debate in Large Seminar Hall of Micronova at Helsinki University of Technology (Espoo, Finland) on the 10th of March, 2006, at 12 noon.
Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics Laboratory
Teknillinen korkeakouluSähkö- ja tietoliikennetekniikan osastoOptoelektroniikan laboratorio
-
Distribution:Helsinki University of TechnologyDepartment of Electrical and Communications EngineeringOptoelectronics LaboratoryP.O. Box 3500FI - 02015 TKKFINLANDURL: http://atomi.hut.fi/Tel. +358-9-451 3121Fax +358-9-451 3128E-mail: [email protected]
© 2006 Jaakko Sormunen
ISBN 951-22-8037-XISBN 951-22-8038-8 (PDF)ISSN 1795-2239ISSN 1795-4584 (PDF) URL: http://lib.tkk.fi/Diss/2006/isbn9512280388/
TKK-DISS-2103
Otamedia OyEspoo 2006
-
ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYP. O. BOX 1000, FI-02015 TKK
http://www.tkk.fi
ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION
Author Jaakko Sormunen
Name of the dissertation
Date of manuscript 30th January 2006 Date of the dissertation 10th March 2006
Monograph Article dissertation (summary + original articles)
Department
Laboratory
Field of research
Opponent(s)
Supervisor
(Instructor)
Abstract
Keywords nanotechnology, epitaxy, compound semiconductor, quantum well, quantum dot, quantum ring
ISBN (printed) 951-22-8037-X
ISBN (pdf) 951-22-8038-8
ISBN (others)
ISSN (printed) 1795-2239
ISSN (pdf) 1795-4584
Number of pages 116
Publisher TKK Optoelectronics Laboratory
Print distribution TKK Optoelectronics Laboratory
The dissertation can be read at http://lib.tkk.fi/Diss/2006/isbn9512280388/
Growth and modification of planar and self-assembled semiconductor nanostructures
X
Department of Electrical and Communications Engineering
Optoelectronics laboratory
Nanotechnology
Professor Werner Seifert
Docent Markku Sopanen
X
The epitaxial growth and modification of planar and self-assembled compound semiconductor nanostructures isstudied. Quantum dot (QD), quantum ring (QR), and quantum well (QW) structures are grown by metalorganic vaporphase epitaxy. The surface morphology of the samples and nanostructure properties are studied by atomic forcemicroscopy. Photoluminescence (PL) spectroscopy is used to characterize the optical properties of the structures.
A novel method for transforming self-assembled InAs islands on InP into QRs is developed. The fabrication ofself-assembled semiconductor QRs relies typically on the partial capping of islands to induce the dot-to-ringtransformation. In this work, the change in the morphology is achieved without capping, by annealing as-grownInAs/InP islands in a phosphorus-rich flow. With this method, 6–10-nm-high rings are achieved.
It is also demonstrated that InGaAs(P)/InP strain-induced quantum dots (SIQDs) can be realized using InAs stressorislands. To adjust the depth of the strain-induced lateral confinement potential, the height of the islands is modified byvarying the growth conditions. Furthermore, by varying the composition of the nearly-lattice-matched InGaAsP/InPQW, the SIQD ground state emission wavelength is tuned from 1.3 to 1.7 µm. Luminescence from the excited statesin the SIQDs is also observed. The redshift of the SIQD ground state transition from the QW PL peak increases up to67 meV as the distance between the SIQD and the stressor is reduced to 4 nm. Simultaneously, the luminescenceintensity of the SIQD peaks reduces notably. Time-resolved PL measurements reveal that the intensity reduction isaccompanied by a faster decay in the carrier populations of the SIQD states. It was concluded that this is due toelectron capture to the InAs stressor or surface states associated with it.
Finally, the growth of GaN layers for the surface passivation of GaAs is investigated. The passivation effect is probedby PL measurements of near-surface InGaAs/GaAs QWs. The luminescence intensity of samples passivated withGaN is clearly enhanced as compared to unpassivated samples. This shows that the growth of a thin epitaxial GaNlayer is an effective means of in situ surface passivation of GaAs.
-
�������
��� ���� ��� �� ��� �� ��� ������ ��� �� ��� ������������ ����
������� �� ���� ������ �� ��������� ���� ���������� �����
��� �� �!���
"� �������� �� #����
�� ������ ���" �� #����
�� ����
���� ��� ��� ��������� �� ���� ��� �����������
�" ������ �� $���� %����� &����' ��� ������� �� �� ���'
��� � ������ ������ �� ����� "� ���� � ���� � ��� � ����
��� ��� "������� %�������' ��� �� ���� (��� )��� ��� ���
������� ����������� ��� ���� �� ����������� �" ��� �������� ���
��� �������� ��������� �� $�� (��� �����' $�� ����� ��������'
%���� %�����' ��
� *��������' �� (�� ������ ����� ��
���� ���' �� ��� ����� �� �� ��� �"� ������ ��� ���� �� ����
����� ���" ��� ��� ����
�� �� ��� �����������
�" "�� �������� �� ��� +������� &����� �� ,������� %���������
�� ����� ���-"
--�. ��� ���� /���� �������
�������� ��� �� ���� "� ����� #���� �� ���� �� "� ��� &��
� ���� � "� ������� ��� ��� ���� ����� ������ �� ��������"���
0����' ���� ���� �� ��� "� ����' ���� ��������� �� �������
,���' (����� ���1 (����� &��"��
-
����� �� �����
������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� �� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
���� �� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
�������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
� ����������� �
�������� ��� �������������� �� ����� �������������������������� �
��� ���������� ����� ����� ������� � � � � � � � � � � � � � � � �
��� ���� ���� �� ���!���� �� ���"�� � � � � � � � � � � � � #
��$ ��� �� ����� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � %
��� &����� ������������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �'
� ����������� ������� ���� �
$�� (��!���� �� )���� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
$�� ��������� �� )���� ���� � *� � � � � � � � � � � � � � �+
$�$ ,������ �� *�� ����� ��� )���� ���� � � � � � � � � �-
� �������� ������������ ������� ���� �
��
-
��� ���������� ������� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
��� ����������� �� ������������� ����� � � � � � � � � � � � � �
��� !��"������ �� ���� ������� ��#��� � � � � � � � � � � � � � �$
��� %&����# &��&���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
� ������� �����
� � ��� �� ��� ��
� ������� ��
��������� ��
���
-
���� �� ����������
���� ������ �������� � � ������� �� � ��� ������� ����������� ����
�� ������� �� �� ��� ���� �� ����� ���� ��������
� �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ����������� �� �������
�� �� �������� ������������� �� ���������� �������� �������� ���� ��� ������� ���� ������ ������� �� ������� �� !"#!$!"#% &'((")�
�� �� ��������� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� ��
�������� �������� �� ���������� �������� ������� ��� �������� ����� ������ ������ � *������ +������ ��� �!%'%$�!%'"&'((")�
��� �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ������� �� �� ����,
���� ��� � ���������! �� ���� ������ ����� �� �������� �������������� ��"���#�$���� ������� ����� ������������ ���!-%($!-%" &'((")�
�� �� ��������� �� ��������� �� ������ �� ������� �� �� ����,
���� ��"������� ������� %��� ������ ! ����&����'� �������������������� ������ ������ � *������ +������ ��� �"!.$�"'( &'((")�
� �� ��������� �� ��������� �� /������
�� �� ������ �� �������
�� �� �������� (���! ����� ������ ���� ������������ ���"�������� ������� %���� ������ ������ � *������ +��������� �01-$�01. &'((")�
�� �� /������
�� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� �� ���,
����� )���� �!����� � ����� ����� ��"�������� ������������ ������� �� ���������� �� +����� 2�
��� �� ��������� �� ��������� �� ������� �� �� �������� ����������! �� ��������� ��� "�* ��!�� �� "���#+,,$ ����� ! �&-����� %�(! �� ������ ������ *������ ����� ������� ���� '.-$'0' &'((#)�
���� �� ��������� �� ��������� �� /������
�� �� ������ �� �������
�� �� �������� ��������� �� "��� ������ ! �������� ���.��"�* ��!�� ������ � 3����� 4���� ���� -'!$-'- &'((#)�
��
-
�������� ��������
��� ������ ��� ����� ��� ��������� ��� ����
����� �� ��� ���� ��� ����
��� �� ��� ��������� �� ��� ���� ������� ��� ��������� ��� ����
�����
��� �� ��� ��� ����� ��� ������ ��� �������� ������ �� ��� ����
����
�� ������� ���� ��� ��� ����� ������ �� �������������� �����������
������� ��� ����������
��� ������ ��������� ��� ����� ���������� ��� ��� �� ��� ����
�����
��� ������� �� ��� ������ ��� ��� ���������� ��� ������ ��� ���� ���
������� ��� ����
����� �� ��� ��� ���� ��� ������� ��� ����
����� ����
��� �� ��� ��� ���� ��� ���� �� ��� ������ ��� �� �
������
��� ����
���� �
������ ������ ��� ��� ��� ����
����� ��� ���������
�� ��� �������
��� ����
���� ��� ��� �������������� ������������ ��� ����� ���
�� ��� ������� ��� ��� ���� �� ��� ����
������ ��� ��������������
������������ ��� ��������� �� �� �
����� ��� �� �����!���� ��
���� ���� ��� �������
!
-
� �����������
������ ������ �������� ����������� ���� ������ �� ���������� � ������������� �� ��������� ��� ������������ �������� ������������ �������� ��� ��������� ���������� �� �� ����� ��������� �������� ��������� � ��� ��� ������ ���� ���� ������� ���� ������ �� !������������������� ��� ������ ������ ����������� �� ���� �� ����������������� ���
��� ������ �� ������������ "������ ��� � �� #�� ������������ �� ���������� � ����� ������� ��� ��� ��������� ��������� ����������!����� �� ��� ���� ����������� ������ ��� ��$�� ����� �� ���������������� �%��� &���!���� ����' ��� ���� ������ ������� ������� �������� ������ ������ � ����� (��� ������� ��� � ������� �� ���������
�� ���������� � ����������� ������ �������� )��������� ������������ ���������� ���� �� ������������ ���� ������� *+, �� ������ �����
������� ��� � ��������� -������� ����������� ��������� ��� � ����
� ������ ������ ������ �� �� ����� ����� � �� ��� � ����������(��� � ��
������ ������ �������� � �� ������� �� ��������� � ������� ������ ���� "������ ��� �������� �� ������������� ��� ��������� ������� ���� �������� ����� ��� �� ������� ��� ��������������� �����������
$����� �� ��� !��� ����� ������������ ����� ��� ������������� �������� �� ��������� (�� ��������� ������� .����#��/������� ����� ������������� ������� ��� � ������� ����� ����������� ������ ��������
���������� (�� ������� ��� ����� � ���� ������ � �������� ��������� ��� �� ����� � �� ����� ������ ������� ��� �#� ����� �� ������� ����� ���� -� ������� � �� ������ ����������� �� �� �������� ����� *0,� (�������� �$ ������� ������ � ������������ ������� ������� � ������ ������� ��� � ������ ��� ����
-� ��������� ��� � ����� �$� ������� �� � ��� �� ������������������� �� �������� *1,� (�� ������ ����� ��������� �� ������� �� �������
� ������� ������ �� ��� ��� � � ����������� ������ ����� (�� �������������� ���!����� ������� �� ������ �������� �� �� �������� ��� �����
+
-
�
��� ��� ������ �������� � ������ �� ��� ���������� �������� �� ������ ��� ��������� �� ��� ������� � ���� ��� ������ ���������� �� �������������� ������� ���� ���� �! �� �� ����� �� ��"����� ��� ��
��������# �������� ������������ �� ��� �������� ������� $����������#��� � ������ �� ��������� ����� �� ����� ��� ����� �� �������������������� ���� %&'# �������� �� ��� ����� ��� ��� ����� ���������������� �� �� ������� � � �������������� ������ %('�
)� �������� ����� �� �������������� ������ � ���� ��� ����� �� ��� �������� ��� ����� �� �� ���������� �� ��� ��� �� ���������� �������������#���# ������� ���� ��*�!# ��� ����� � �������� ����� �� �����������
������ � ��� ������� ���������� )� ��������� ������� ����������������# �*� ���� ������ ��� ���������� ������� ������� ���������� ��� � ������ ��� �+��� ����� ������� ������ ��� �� ������ ������� ���������� ��������� ��� ��������� ������� %,'� �� ����������# ���������� �*� ���� �������� ������ ������� �������# ������� ��� ����� �� ����������� ����� ��� ��� �������� ���� ����������
�� ��� �����# ��� �������� �� ������� ���������� ���������������� ������� ��� ������� �� ������ ��� ������������� ����������� ����-�� ����� ��� ���������� � ��������� ��� ��� ���� �� ������. ��� �� ��� �������������� ������ �� ��/������ �*� ��� ��� �� ��������� ��������� ���� ����� �� ���������� ����� ����� ����-�� ������������� �� ��� ������� ��� ������ �� ���� ���� �������� /�������������� ���������� ��� ���� �� �������0� ��� ����� ����������� ��� ����������
�� ��������� � ��� ��# ��� ������ ��� ��������� �� ������� ���� ��������������� ) ����� ������ ��� ����������� �������������� ��)� �������� ��/ ��� ������� ���� ��� ���������� �� ��������� ���12�# ����������� ������� ���� ���� ������� ��� �������� �� ��3�)�4��/ �������� ���� ����� �� �������������� ��)� ������ ��� �������� � ��������� �2� ��� �������� ��������� ��� ��������� ���������� ����3�)��/!4��/ ��� � ���� ������� � ��������� ��� ��� 2 �� �������� ��� �������� ������ ��� ����� ��������� ����������� �� �������� 2�#��� ����� ������ � ��3�)�/4��/ ��� � ���� ������ �� ��������������������������� ������ �+��� ������� �� ��� ��)� ��������� ��� ������� ����� ���� ����� �� �5���� ��� ����� ���������� � ��� ��� ��$�����# ��� ������ �� �������� ����-�� 3�6 ������ ��� ��� ������ ���������� �� 3�)� ��� ������ � ��������� 2�� ��� 2���� ��� ���������������� �� 3�6 ��������� ��3�)�43�)� ����������� ��� ��� �������
-
�
�� �� �� ���� ���
���� �� ������� � ������ �� ����
�����
����
�� ������� �� ��� ������ � � ������� �� ������ ��� ������������������� �
� �� ��� ��� �� ����
� �� ������ �� �� ������������� ���������� ����� ���� � ����
� �� ������ � �������� ������ ��� ����������� � ��� ��� �� ���� ��� ����������� ���!"��� ��
��� �� ������ # ����� ����
���$��
� %�&'� �� ����
��� ����������� "�� ��� "���( ����
��� �� ������ �� )�* �� )��( ����
��� �� ������ +� �� ��� ���� �� ��� ��� �� ������ �������� ,�
-
� ���������� � ��������������
�� ����� �����������
������������
���� ������ ������� ��� ��������� �� ������������� ������� �������� � ���� ���� ������ ��� ������ ��� ��� ������ �� �������������� ����� ������� �� !"#$ ������ ��� �� ��� ����� �� ��� ������������� ������ ��� �������� ��� ��������� �� �������������� ��������� ����� ��������� �� ��� ������� ��� ����������� �� ������ ������������� �%&�$ ����� �� ������� � ������ ��'� ������ ��( ����������� ������� ����������� ��������
��� ��������� ���� ����� �������
� !"#) ���� ��� �� � *!+ ����������� �������� ���� ���������$�� ����� � ��� �� �� ���������� ������� �� ������ �� ��� �������� ��������� ������ ���� ��� �,-./�) � !"# ��� ������� �� � ��������������0� �� ��� ������ �� ������� ������� �� ������ ����������� ��� 1���� 2�������) ��� ������ � !"# ������ �� ������ ����� ������� ����� � � ����� ����� � ��� �����0� ������ ��� ���������� �� ���� �������� ������ ��3��� �������� �� ������ ������� ��� �����) ����������) �� ���������� �� ��� ��������� ������ ������� ���� ���������� �� 4�2 ��������� ����� � � !"# ������� �������� �� ����� �� ��������� ����� �...
◦C �� ��� ������� �
�������
��� �� ��� �� ����� ����� ������� ������ �5#+�$ 678 �� ��� ����� 698�:� ����� ���� �� ������� ���� � ��������� �����0�) ������� ����������� ��;#$) �� ������� ��� �� ��� ��������� �� :::�! ��������������������� 6,8�
(
-
�
��� ���������� ������� �� ���� ������ ��� ��� ���� � ����� ������� ��������� �� ������ ��� �������� �������� �� ! �������
�� ��� ������������� �������� � "##$ % ��������� ����� �� ��������� �� ���� � &�� ' " ��� ���������� ������� �� ������
� ������� ����� �� ������� � ����� ��� �� � ������ ���������� �� ����� ��� (��� ������ �� ��� ������� )��� *** �������� ��� � ���� ����� ������ �� ��������������� +��)�, �� )� �
������������ +��*, �� * %� ���� � �������! �������������������� +�-�,! ��������������� +�-%�,! ���������
�.�� +/�0�,! �
�������������� +����, �� ��� �� �! %�! 1! � ��! �������(��� *� ������ ���� ���� ��� ���� � ������� �-%� 2"34 � �-� 2""4 �� �������� � ��� ������ � ���� �� ��� ���� ��� ���� +%�03, � ��������+�03, %
��������! ������.�� +/�5, � ������ +��206, �� ��� ��
����� �� �� � ����� ������ � ���������! �������(���
metalorganic
bath
dopant
Si H2 6
mixing manifolds
sample
reactor
susceptor
lamp
TMGa TMIn TMSb DMHy DEZn TBP TBAs
mass flowcontrollers
pyrolysisfurnace
vent line
input manifold
thermocouple
exhaust togas scrubber
������ ���� ��������� ����� �� ��� ����� ��������
6�� ��
�� ���! ��������� ��
���! �� �� ������ ��� ������! �� �� �����
��� ���� ��� (����.� ������ ��������� ��� ��� 7��� �� �������
���� ���� 7�� �������� +�&8�, ��� ������� 7�� ��� ���� �������� ����� ����� �� ��� (�� ��� � �� ��� ��9�� ������ ����� ���� ����� ����� /��� ����� ��! ��� ���� ����������� �� ������� ��� ������� �� ��� ����� �� �����(� ����� �� �����9��� ����� -� �:������ ��� ��� 7��� � �������� �����! ��� ����;��� � ���������� �� �������� �� �� ������� ��� ����� ��� 7�� ������ ��� ��9�� �������� ��� ����� �� ����� � � ���� ����� �� ����� ����� ��
������� � ��� 7�� (������� �� ������ "< ��=� � ��� ����� * ���� ��;! �������� �� ��� ������ �� ���������� ������ +>?3 ��
, *� �� ����
-
�
�������� �� �� ����������� �� ���������� ����� � ���� �������� ���� !���"�# �!� �$��� �% ���! ������ �� ��� ��"������� ���!�� �!����&
'!� ����� �� ������ �� !��(���� )��(���� ���� ��
�!��� ���������& '!� �������� �� !���� �� ��%
��
������ %�� !���� ���&*� ����� �% !�! �����
���# �!� ������ ��������� ��������� �!��!���������� �������� ������� �� ��� ���! �!� ����� ��%��& +����
���# �������� ��������� ��� �� ��������� � ,������
◦C& '!��%��#
�� ����� � �-����� ��� �% �������# ����� ���! �����
���� ���������
�� %�� ��� �� ��!�� ����
◦C& .� �!� ����� ������ ���� ��
�!�� ��/# �!� �0���� �����
��� �� ���� 1��◦C& '!� �����
��� ��
��������� �� �!��������� ������� �� �!� ��������& 2�� �� �!� �������$��� �% �!� � 3�� �!��! �!� ����# �!� ���� �����
��� � �!������ ��%�� �� �������� �� �� ���0������ ��
◦C ���� �!� �!� �!��
�������� ���� � ���◦C ��4�& *�� �!� ���! �����
���� ���������
�� �!�� �!���� � �!��������� �����& '!� � 3�� %�� �!� ����#�������� ���������� �% �!� �������� �������# �� �!� � 3�� %�� �!�"��� ���� � ������� �� �0!��� �!�� �!� ��0�� ������� � ������ ���0���(�� �� � ������&
'!�
�!��� �������� �% �!� ����� ��
��� �� !��� ������
����� ���� �� ��2 �� ��(� � �0����& * ������ ����� ��(� �� �!����/ �� �� ��2& '!� �����
��� ��� ���"�� %�� ����� �%�� ����!�� �� ������& '!� ����������� �%�� ��� ������������� ���������� �����!�� +*� 5�������6 � .�� 57�������6& 8�%�� �!� �����
������ ����� �� �!� ����# �!�� ��� ������ �� � ���
����� ��! 9�� ���!
������ �� �!�� ���������& :����)������# �!� �����
��� ��� ����� ���!�������(�� ��� �� ����� �� ���! ������& ��� �� �!� ���! �% �!�����0�� ����# �!� ������ ��� ������ � ����;��
◦C �� �!� �����
���� �� ���"� �!� �!�� ���"� ��%�� �0���& '!� ���!
�� �% �!�����0�� ����
��� %�� �&� �� �&, ��
-
�
������ ��� �� ������ ����� ��������� ���������� ������ ����� ���
����� ��������� � �� ��������� �� ���������� �� ����� � ����� ���� ���������������� ���� ����� ���� � ������� ���� �� ���� ��������������� ����� ��� �������������� ���� ����� �����
���
��������� �� !��� "�"� #� ������� ����� ����� �� ��������� �� ����
� �� ��������� �� �� ���� ������ �� �� ����� �������� ��� �� ���
����� ��� �� �$������ #� ������
�� �� ������� ����� ��$���� � ������������ ��$��� �� �� ��������
islands
wetting layer
substrate
������ ���� ���������������� ����� �����
%���
�� ��� &���� '()* �� ��$����� ��� �� ������ ����� �� +� ����� �� ���(,,� � ��������������� ������� �� ����� ���� ������� ���#� ������ ������ � $������ ������������ �� �� ����� ����������������� �� ���� �
��� �� !��� "�-� #� ������� � �������� ����� ����� �� �$$��������� "× �� ���� ��������� ��� � � ����.�������� ���� � $������ ������� %���$� �� ���� ������� ���� ��������� ������� �� ����� ��� ��+��/+�� '(0*� ���/+�� '(1*� ���+��/�+�� '(�*� ��2/+�� '(3*� ���/��2 '(4*� ��� +���/+�� '",*��� � ��� ����� �� �$������ ���� � � ����� ������ ������ ���������� �� ������� ��� � �� ���$��
���� ��������
������ ���� &������ �� ���� ��������� ��� ����� ����������������� �� ����� ����� ���������� #� ������� ������� �
������ ��� ��� �����
-
�
�� �������� ���
���� ��������� ����� ������ �������������� ������� �� �� ��������� ���� � ��� ���� �������� �� � ���� ������
�� ����� ��� ��8 �� ��11 ��−2 ���� ��� !�� ������ �� ��������� ���� ��� �� ������� � ������� �� � ��� � � ����� "��� � ���������� �� ��������� ��� ������ �� ��#� ��
��� � ��� ���� ����������� ����� �� ������ $����� ���� �%&�� ������� ��� ������� �� ���%&� ������ ��� ��� ����������� ����������� �������� � � � � ������� �� ��� �������� �� ������ ���
���� �� ���� ����������� ���������������� � �����������
!��
���� �� �������� �� �������������� %&� ��'� ��� ������� �(�����'��� !��
���� ����������
���� ���� �� ��������� ����)��� ��'���� ���� �� �*���� ��� ����� ������ �� �������� �� ��� %&� ��+,�-� !��������� ������� ��'� ���� ���� ����� �.���� �� �� ��������� �� ���
���� )������ ��/� �0� 1 ��� ���� ���� ����������� ������ ��'���� ���� �� ���'� ��� �$�������� ������ ��� � � 2� ������ � 3� ���� ��45� %&� � 2�5� ��6� !��� �� ����� �'����� ���� �� ������� ����������� ������ �� ��� ������������� �� ����������� ���� )������ �������������� ��'� �� �� ��)� ��� ������ �+�� 7� �(������ �������
����� �.���� ��'� ��� ���� �� ����� ��� ���� ������ � ���
���� �� 45� %&� � 2�5� �+��
4 ��� ���� �� 45� %&�
�� � 48� ������������������ �5�98� �(����� �� ��'� � ��� �.��� � ��� ������� �� ������ !�� ���������� 5�98 �(���� ���� ������ � ����)� ���� �� 45� ��� ����� ���(������ ��� ������ ��������� ��-� +�� 4 ��� �(���� ����� 45� %&���'� �������� ��� �����'�� � ��������� 48 �� 5�98 �(���� ������������ ������ 45� ��������� �++� 1 ��� ���� ���� 5�98 �(���� ���� ���� �� ����� ��� ����� �������� �� ������� ��'����� �� 45�%&� �� �(���� ��� ������� ���� �� � ��������� *�( �+:� +-� !�� �(����� �.���� �� %& ����#����� �� ��)� ����� ���� ��� ��� �����
������ �+/�
!�� �������� ������ �� � %& �� ������� ��� �������� %&� �� �� ��������� �� ���#���� ����� �� � )�� !�� �������� �������� �� %&�� � ���� ��� ������ �� ������� ��)� ���� ������ �� ��� � ��� ��'��������������� ���� �� ��� %& ���� ��� ������� ��� �� ���� ������'� ����������� ��� ��'������ $����� ���� ������ %& ����� ��'� ��� ����������� �� �� ��� �������� ��
�� �+0� ;���� �(������ �� %& ��'����������� �� 45�948 ���� ����� ����� ������ �� � -- µ�� ����������� ������ ����� � ����� #��� � 45�948 ���� �+��� �� 45�92�5�%&� �� ����� ����� �(������� �+6� 7�������� 45�92�5�
-
�
�������� ����� ������� ������� �� ��� µ�� ��� �� � ����� ������ ��������� ��������� �� � �� �� ����� �� � ������������ ������ �������� !"# $�� �� �� ��� �� ��$ ��� ��� ��� ������� %&'(�
��� ������ ��� ��������
"����� ����� ��������) �"*+# �� � ���� �� ���
�� ���� ��������)� �$�� �� �������� �� �� ����� ������� ��� �������� $�� � ����� ,�� "*+ ������ �� �������) �� �� ������� �� ������� -� �������.����� ���) ������ ����� �������� �� �� ���������� �� �� ��������� � ������ ���� -� ������� ������ �� �� "*+ �)���� ���� ���� $��/ �� ��$ �����������) � *��� ��&� " ��� ������ ������ ������� ������� �� � ���������� �� ������ �� � ����� ������) �� �� �������� "����� ���� �� ��0����� ���� �� ���/ �� �� ��������� �� � �������� ��������� ��������� "� �� ����� �� ����� ��������) �) ��1��������� ������������ ���������� ������� �������� �2��� ������ 3�������� �� �� ��� 4����
������ � �� �� �� ����� �� ��������� �� ���� -� ����� ��0���� ������� ���� �� �� �������� �) �� ��������� " �������/ ��� �������� ��������� ����� ���� �� �������� �� �� �������� ��1��������� ���
���/���� �� ����� ���� ��0����� �� �� ���� ������ �� ��� /���� ������� ���$�� �� ���� �� �� ����� ������� " ������� ������ ���������/ ����� ������� �� ��� ���� ��������� �� �������� � ������� �� ������� ���������
-� ������ ����� ��������� � ��� ����� $��� ��/� $�� � 5�� ��� 6����������� "*+� -� ��2���� ������� ��� ��1� �� ��×�� µ�2� �� ������� ������� �� 7��×7�� �2���� -� �������� ��������� �� �� �)���� ���� �� ���� �� '�� �� ��� �������� ���� ��������� �� � ����� �����)���-� ������� ���������� �)�����) � ��$ �� ����� � �� ��� �� ������ �� �� ������� �� �� �������� ��� �� �� ���� ��������� �� ������ ��� �� �������� ����� �� � ��������� �� �� ������� ������� ���� ��� -� �������������� ������������ ������� � ��� $��/ ��� �)�����)78&' � � ���� �� �''8�'' � � ��������� -�������� �� �)���� ������ ���.���� ��������� � �� ����� ���� �� ����� �����) �� ���������������
-
��
laser
probe tip
detector
control unit
beam
sample
movingsampleholder
������ ���� �������� ����� � ��� ��� ������
��� ������ ��������
��� ����� �������� � ��� ������ ���������� � ��� ��� ���� ����������
�� �� �������������� � !"� ! � � ������ ��� ���� � �����
���������� ����� ������� ��������#��� ����" ��� �������� �� �$����
��� ������ ��� ����� � ��%���� ������� ��� �������� ������ &����
��������� � ��� ������ ������ ���� ��� ��� ���� � ������ ��������
������' �� ������� ����� ����(��� � �������(���� ��� ������
������ ����� ���� � �������' �� ��� ����� �������� � ��� �
����� ��� �������� ��������� �� )����� ��������� �������� � ���
������� ! � � ����������(� ������� ���� ��' ������� ��� ������� �$��� �������' � ��������� *������ � ������� ��� ����� �������
���' ��� ����� �$�����' ! ��� �(� ������� � ��� ���������
�� ����$��� ��������� � ��� ������� � ��� ���
����
�� ��� ! ���������� � ��� ���' ��� ������ ��� ������� � ���
�� +���� � � ���������� ����� ������� �� �
�� � �� ,� �� ���
����������(� ������������' ��� ������ ��� �$��� �� � ����� ����
����� � � ��� � ����$������ -�� µ� � ������� �� ����� ���������� ���' ����� �� ������ ����� ������ �� � ��(������� � .// �� � �
-
��
������������ �������������� ������4 ���� �������� �� ��� ��� ���
���������� �� ��� ������ �� �������� ��� � ���������� ���
����� �� � �������� ����� ���������� ����� �� ������ ������� �� !!
"� ��� ������ �� �����#�� �� � ��$��� �����#� ������� �� � ������
� ���� ���������
��� ���������%�� &' ����������� �� ������ �� �(����� ��� ����
��� ��� ��) � ������ �� � �������$�� ���������������� ���� �� ���
�%������� � *)) ��� ��� ���������� ��������� �� ������� ��� �
����� ��������� ����� �������������� ��� ������
������ ������ ����
��� ������� ��������� ��� ����(����� ������� ��������� � ��� ����
��� �� �) ���
-
� ����������� ���
�����
���� ������ �������� ��� ������ ������ � ����������� � � ��� � ����������������� ��� ��������� �� ������ ������ ��� ����� � �� ��������� ����� ��� �������� � ��������� ������ �� ��� �� ������
� ������ �!� "����� �# ������� ��� ��������� � ����� ��������������� ��� �� ������� � ���� ��$� "����� � �������� ��� �������� �� �������� ��� ����
��� ����������� ����� ����
%� �� ��� ������� �� ��� ����&�������� ����� �� ���&�������� ���&��� ���������� �� ���� � �
���� �� ��� ��'� � ����(� ���� �������� �� ��� �������� �� �� �������� � ���� �)����� �� ���� ������� ��� ����&�������� ��������� �� ��&��$�� � ������&����� ���� $���� ������ ���� � �)����� �� ��� �� ��������( �� ���� � ���� �!�
*�� �� ���� ����( ��
���� ������(� ��� �������� �������� �� ���
�+� ��� ����� �� ��� ���� �*� � ��( �������� ��� ������ �� ������ ������� ,�) � ��� ����� �� � �� �� ��� �� ��&����� �����&��� ����� ��������� ���� � ����� ��� ����� -./� 0��������(� �������������� ������� ����� �� ��� ������&1��� �+��� -2!/ ���� ��&����� ���� ���������� � �)�������� ������ -2#322/� ���� � ������������� ������ �� ��� ��� ����� ������� -24/ � � ���� ��������)������ ������ ����� ����� -2./ ���� ��� ����� �� ������������ ��� �*�� ��� ��&����� ������(� ������ ���� ��� �������� �������� ��������� ��$� ��� �������� ������� �� ��� ����&����� �� ���� ������ -25/� � �
���� �� ���������� ���� ���������� ���� ���� ��� �������� ��� �������� ��������� ���� �� ��� -26/�
��� ����&�������� ����� �� ���������� ��� ��� 7�� ������� �( 8�&�9� �� ��� �( �������( ������ ��� ����� ���� 8��� -2:/� *�� �� �����)&
!#
-
��
������ ���� ��� ���� ���×��� µ�2 �� ����� ������� ������� ���� �� ������� ���� �� �� �� �� ����� � �
��� ��! ����������� !�"����� �� �� ��! #� �����$ �� ���� �� �� ��������%����! �����!� ������ ���� � �����&��' ���������% !����� � ���(�� ����&�������$ �� ���(� �����������% �� ���� ��)� �����!��� �� � '����� ��!��� �� *+ ��������� �,- $ �� ����� (���� �� ��� ����� ���� #� ������� �%����� ���(�� ���������$ !�"�� ���(��!� ���� �� ������� �����! ��&������ ������ � ���!� �� � �����$ �� ���� ���� �� �� *+� ������� �� ������%! ����������� �� ��x#�1−x�� �,� �
(a)
(b) (c)
GaAs
InAs
In Ga Asx 1-x
������ ��� .������� �������� �� �� ��������� �� ��#���*+� �� � ����� �� ������� ������� �� �� ���� �����! � �% #����
� ����� ���� �� !�"��! ���(��!�$ ��! � � ���! �� ��� �� ����!!�� �� /��� �� ���! �� +��� ��0$ ,-1,)
-
��
� ���������� ���� ���� ��� ����� �������� �������� ��� ��� ��������� �� � ������������ ����� �������� ������� ��� ���� �� ��������� ������ ���� !������ ����� ��"� ��#� ����������� ��� ������� ��� ���� ��� �������� �� $�%��� &' �������� �� �#��#� �������� ������ �� $� �� $���� ������� ����� � ��� ������ ����� ����� �"�� (�� ����
�� �� $� �� %� ���� ����������� ���� ������ $�%��� ����
)����������#������ �� ���������� ����������� ������������ ��#� ����*��� ���� ��� $�%���+%��� &'� ���*�� ��������� �� �����,� ������������� �-� �� � �������� �� �� �������� ������� *��� ��� ������� ������� ����� ����������� �� � ������ � ��� &' ����� ����� ���� .��� �������� �������� ��� L = −1 ���� /0 ����������� ����� �� ��� ���������
��������� � �������������� $��� &'� ��#� ���� ���� ����� ��� ����
1�� �������� �������������� ���������� �������� �������� 23(456 ��7��� ������� �������� �������� 23�8(56 ��-� ����� �� ����,� ������ �� &'� ��#�
��� ��������� �� ��� ����������� ��������� �� ���$�2%�6�� ���� $� ��� ������� ���� ��� ��������� ��������� �� ��� &'���������� ��� �� �� ��� ������� ��������,� ������ ���� �� ��� ��,��� ���� � !� " � 2�6 (�� ����������� $�%��� �� 2������ ���6���� � ��� ��� �� ��� 9������: ������� ������� $��%� ����
��� � ���
���� �����#� � �!5 ������������ �� ��� ������� &' ������� �� ����������� �� ����,� ����� �� ����� $�%���+%��� &' ����� ��� ��#����� ���������� ��7�
$� ���� �� ��� ����� �� ��� ��������� �� ���������� ��������� �� &'����� ��������� ������ ��#� �������� ����� �������� !�� �������� �����
�� �� ������ ���� ���� �� ��� �� ��� ������ %��� ��� ��� �����#� ��������� ��� �������� �� $�%��� &'� � ������ ��� ������� ;���� ��%� ��
-
��
��� ����� � ����� ����� �������� �� ��� ����������� ��������������� ������� �� � ��� ���� � ��� ��� ����� �� � �� ��� ����� ������������ �� !" #� ��� �������� ���� � ����� ��� �������� � ��� �����
������ ���� ������ �������� ��� ��� ��� � ��� �����
� ������ ���$ ����� ��� ������ ������� �� � ������� � �����" ������������������ ������ ���������� ��� ������% �� ����� ��� ������� ��� ����$" ���� �� ��� �
�� ��� � �� ��� �$ ��� ������ ����� ��� �����
����� �������� ������� ��� ��� &����� ���������" '�() ��� ������� �������� ������������ *($�+ ������������ ���! ��&� ���,���� ������������� �������� ��-�� ���� ������� ��� � ������ ���� ��� ��� ���$"
.� ������ �������% ����/��.� ��0! ��� 1���/2��� ��3! ���� ��&� ������������� ����&�� �� ����� ��������" 4���&��% ��� ������������ � ���������� �������� � ����� ������ ������� ��� ��� ��� �
� �&�&��"5��
�% ������ ������ ��� ���� ���� �� ������� ����� ���������������.�/.��.� ���� ��6! ��� ��������� ����� ���� ���!" #� ��� ������������% ��� ��� ������� � ������� �� ��.� ������
7���� �� ��� ����� ��� �� ������ ����� .� 8��"
��� ��������� � ����� ����� � ���
����������� #�.� 9������ ���� �� #�: ��&� ���� ����� �� �� � ������
�� ������ ������ �� ������� ��&��� �������� ������ ��� ��&����������� � �"�� µ� �� ,��� ���� ������������ �3;% ��!" ���% ���������� ��� ������������ ��������� � 9������ ���� *��&���� � ��� ���&���� ������+ ��-�� #�.�/#�: ��� �� ��������� ���� �� �����" :��&����%��� ����� ��� ��������� � #�.� �$� ��&� ���� ���,�� �� .�/: ��������� � ����� �� ������ ���� ������ ������ �36% 3�!" #� ��� �����% .�/:������� ��� ���� �� �������� ��� #�.� �$ ��������� ��� ����
-� �������
-�"
#� ���
����� #% 9������ ���� ���� �������� �� �����
�� �������� #�.��$� � � ���������� ������" ��� ������" 5�
���� ���
-
��
��������� � ��� ��� � ���� ���� � ���� ��� �������� �� ������������ �� ���� ����� ��� ����� ��������� ��� ��� �������� �� ��!" �������������� �� ������� � ��� ���� � ��! ���� #�����" � �������������� � ������ ��� ���� ���� ����� ���� ��� �� �������� �� ��!"
������ ���� ������ ���� ����������� � ��� � ������� $�%������ ���� ���� ����� ������� �� $�% ������ � ��! ��& ������ �� '��
◦C" ��� ������� ����� � ��� ������ �� �"( µ�×�"(
µ�" )��� ��� ��*���� #������� ������"
+����� ,", $�% ����� ��� �+- ����� � ��� ������� ��� � ������" ������� ���� � �#����� ������ � ./ �� � ���� �������� � ��� �� �� ������ �����0 � �"/×108 ��−2 ��� �����#��" +�� ��� ������ ���� � +��",", $�%� ��� ��������� ������� ��� ��� � ������ ��� ��*����1 ��� ������� ��� ������ �� & � � ��! �� '��
◦C ���� ����� ��� ����������� ���
������ ���" ��� �+- ����� ������0 ����� ���������� ���������� $2�%/3�� � � ������" ��� ����� �����0 � ��� ������ �� 4".×107 ��−2" �����*������ ������ ��� � �� ��� 2 ���������0 ��� ��� ���������0� ��� �+- ����� ������ ���5��� � +��" ,"(" ��� 2 $����� ���% ��� �������� ����� ���� �� ��� ��� �� ����� ��������� ��� &� � �� ,,��� ��������#��0" 6������� �� ��� ����� � ��� ������� � $������ ���%��� �� �� ���� ���� ���� � ��� 2 �������� ��� ��#�� �������� ��� ��������� ��� �������" ����� � ��� �+- ����� ��� #������ � ��� � ��
2 ���� ��������� �� �� � ��� ���� ��������"
��� �����#�� ����������� ��� �7������ �0 ��������������� ������ ���
���� �� ��8! �7�����" �� ��� ������0 ������� � ������ ,"� ���� ������ ����������� ��� ��� ��������� �� �7���� ��� ������� � 9�:�89�
2� ;��
-
��
������ ���� ��� ����� ����� ������ ��� ����� � �� �� ���������� �� �� ���� �� ���
� ���� ��� � � ������ ���� ���!�� "#�
◦C$ %� ��� ���&� ����������� ����� �� � � ���!�
� "'�◦C� ��� ����� � �� �� �� ��� � �� � �� �������$ %�
�(�)� �� �*� ��� �����+ �(,�$ ��$
��-����� � � �� � ����� ����.��/ �� �� �� ��������+ (���)���,��� ��� ��/ ���&�$ %�(�� �� �� ����!� �� ����� ���! � ���� ��(��� / �)����(�� �+ &�(�� !���� �(&��� ����� � �(���� �� ������� �0"�$ �� � ����� ��� � �� �����&���� �� �� ��!� �� !�,��� +���� �12/3 ���&� !��(�� ���� �� � �,��� �� ���( 2-����� *��$
� ���!��� ������! �� � ����� � ���!���� ����� �� ���&� �� ���$0$"$ 4�� %5�� �� �&���� � %5/� ��./ -����� ��� �� ����������� �� ��!� ���! � ���� ��
�� ���$ %� �� ����!� !���� �&����
� ,�� �� � ���� ������ &�� � ����� ��
�� ������ �� ����� � ��/�,�� ��� �� ����������� � �� ��������+ !�� ��)���,� ��$ ������������,(��� �����(� ��� (��� � ������ ���� ������ ��� )������$
� &�� ���� �,��)� �� (,������� � �� � �� �� !����� ������,(����� � ��������� �������!���� ������ �� � !��(� �� ������$
-
��
In
InAs
InP
TBP
P As(a)
TBP
P As(b)
TBP P As
(c)
������ ���� �������� ����� � ���
������� �����������
� �� �������� ��� ��� �� ���� ��� ������� �� ���� ���������� ������ �� ��� ��� ��� ���� ����� ��� �� ���� ��� ������!���� �� ��� �������� � ��� �� �� ��� "�� �������� ���#������ ��������� ������� ���� ��� ���� ���� ���� ���
��!!���� $!���� �%�
&�� �������� ���!�������' ��� ���� �������� $(�% �� �� ������� ������� ��
�' ��� ���� ��!��� ��� ����)� ����� #��)��' ������� ���� �� *+,
◦C ��� ������ ������� � ��� $� � ,% ������ -��
������� � ������� ��������� �� ��� �.# ���� ����� !�/��� � ������� � .�� 0�+� ��� � ���' � �� ��� ���� ���
������� ���������������� � ��
����� �� 1���� �2����� -�� ���� �����!����� ��
����� ���3��� ������� �� �4 ������ � ��� �1��� � ��!���!����� �� ��� 1���� �� ���������� �������������� 5 �)��' ���� ����' ��� !��� ���������� ��� ��� ������� ���� ��� �4 ����� �� ��� ������� ������ � ��� �� �� ���!��� � � !����� ��!!������� � ���3�' �� �� 2�� � !������� ��!�������
��� �������� � �� ���� ��� ������ ���
�� !������� ��' ��� !������� � ��� ������4 ����������� �� ����� �� ����� ��� �� �� !����� ������ � !������� �� -�� ����!������� �� ����� � �������� � -6� ��� )��� � ��� �������������� �� )���� ��!������ -�� �)���� �� ����)� ������� ������ ���� �����!� �� !������������� ������������� .�� ��
-
��
� ������� ����� ��������� �� �� ��������� �� � ������ ������� ������� � ���
◦C �� �������� ������� ��� �� �� �� ������� �� ���� ������
����� �� ����� ��8 ��−2�
40 nm
10 nm 10 nm
10 nm
(a) (b)
(c) (d)
������ ���� ���� ���� ����������� !���×��� µ�2" �� !�" ��#����� �� � ������� ��� ������� ������ �� $%& � !�" �'�� !�"���� ��� !�" ���
◦C� (� � ��)�� *����� ���� �� !�" +����
��,�
$� )� �� � �������� ����
� �� � ���������� �� � -.� ����
��� /��� �� � �������� �� �� �� � ����
� ��� ��������� � ���
◦C �� � $% � 0�� � ��� �� � ������ ������� �� ���#
���� �� � �������� ����
�� $��� $%& ��� ������� � ������ �� � ����
� ��� ����� � ������ $� ��*���� � ���#������� �� � -1#�#-. ������������ ��� ��������� ����
�� ���2��� ����
� �� � �������� �� ��� *���� ��� �'� ������
◦C� 3��� 4�� ����� 3� ����� �� !�" � ��#����� �� � ������� ���
-.� ������ � !�" �'�� !�" ���� ��� !�" ���◦C� (� � ����� *�����
���� �� �� �� �� 3��� 4�� !�"� $� ���� �� � ������ ��� ���� ������
� ������ �� �