Abstract
Semiconductor quantum dot (QD) nanostructures have attracted increased interest in recent years because of their electronic and optical properties. A common way to make QDs is to grow a thin layer of material on a substrate with a different lattice constant. The strain between the layers induces the formation of three-dimensional islands. The electronic properties of the islands are mainly determined by their size, shape and composition. While the size and shape of QDs have been the focus of many studies, only recently has their composition been investigated. Experimental studies of the composition of QDs are reviewed and compared with the available theoretical models of QD growth. It is found that no model in the literature can satisfactorily predict QD size, shape and composition. Experimental results from studies of QDs grown under similar conditions vary substantially. Most authors, however, agree that the average composition of the QDs is different from the nominal composition of the deposited material. The composition is also found to vary from top to bottom of the QDs, which is found to have a significant influence on the electronic properties.
Get full access to this article
View all access options for this article.
References
1.
BAUER
E.
: Z. Kristallogr., 1958 , 110 , 372 .
2.
STRANSKI
I. N.
and
KRASTANOW
L.
Akad Wiss. Wien Kl JIB , 1938 , 146 , 797 .
3.
KIRSTAEDTER
N.
,
LEDENTSOV
N. N.
,
GRUNDMANN
M.
,
BIMBERG
D.
,
USTINOV
V. M.
,
RUVIMOV
S.
,
MAXIMOV
M. V.
,
KOP'EV
P. S.
,
ALFEROV
Z. H.
,
RICHTER
U.
,
WERNER
P.
,
GOESELE
U.
and
HEYDENREICH
J.
:Electronics Lett., 1994 , 30 , 1416 .
4.
REED
M. A.
,
BATE
R. T.
,
BRADSHAW
K.
,
DUNCAN
W. M.
,
FRENSLEY
W. M.
,
LEE
J. W.
and
SMITH
H. D.
J. Vac. Sci. Technol., 1986 , B4 , 358.
5.
JACAK
L.
,
HAWRYLAK
P.
and
WOJS
A.
‘Quantum dots’ ; 1998 , Berlin , Springer .
6.
BIMBERG
D.
,
GRUNDMANN
M.
,
LEDENTSOV
N. N.
,
MAO
M. H.
,
RIBBAT
C.
,
SELLIN
R.
,
USTINO
V. M.
,
ZHUKOV
A. E.
,
ALGEROV
I.
and
LOTT
J. A.
Phys. Status Solidi B , 2001 , 224 , 787 .
7.
RIBBAT
C.
,
SELLIN
R.
,
GRUNDMANN
M.
and
BIMBERG
D.
Phys. Status Solidi B , 2001 , 224 , 819 .
8.
TOTH
G.
and
LENT
C. S.
Phys. Rev. A , 2001 , 63 , 52315 .
9.
NISHI
K.
,
YAMAGUCHI
A. A.
,
AHOPELTO
J.
,
USUI
A.
and
SAKAKI
H.
J. Appl. Phys., 1994 , 76 , 7437 .
10.
JAIN
S. C.
,
WILLANDER
M.
and
MAES
H.
Semiconductor Sci. Technol., 1996 , 11 , 641 .
11.
SPENCER
B. J.
and
TERSOFF
J.
Mater. Res. Soc. Proc., 1996 , 399 , 383 .
12.
TERSOFF
J.
Phys. Rev. Lett., 1998 , 81 , 3183 .
13.
TERSOFF
J.
and
TROMP
R. M.
Phys. Rev. Lett., 1993 , 70 , 2782 .
14.
TERSOFF
J.
and
LEGOUES
F. K.
Phys. Rev. Lett., 1994 , 72 , 3570 .
15.
SHENG
W.
and
LEBURTON
J. P.
Phys. Rev. B , 2001 , 63 , 161301 .
16.
GUFFARTH
F.
,
HEITZ
R.
,
SCHLIWA
A.
,
STIER
O.
,
LEDENTSOV
N. N.
,
KOVSH
A. R.
,
USTINOV
V. M.
and
BIMBERG
D.
Phys. Rev. B , 2001 , 64 , 85305 .
17.
WILLIAMSON
A. J.
,
WANG
L. W.
and
ZUNGER
A.
Phys. Rev. B , 2000 , 62 , 12963 .
18.
SHUMWAY
J.
,
WILLIAMSON
A. J.
,
ZUNGER
A.
,
PASSASEO
A.
,
DEGIORGIO
M.
,
CINGOLANI
R.
,
CATALANO
M.
and
CROZIER
P.
Phys. Rev. B , 2001 , 64 , 125302 .
19.
JOYCE
P. B.
,
KRZYZEWSKI
T. J.
,
BELL
G. R.
,
JONES
T. S.
,
MALIK
S.
,
CHILDS
D.
and
MURRAY
D. R.
J. Cryst. Growth , 2001 , 227 , 1000 .
20.
GOLDFARB
I.
,
HAYDEN
P. T.
,
OWEN
J. H. G.
and
BRIGGS
G. A. D.
Phys. Rev. B , 1997 , 56 , 10459 .
21.
THANH
V. L.
: Surf Sci., 2001 , 492 , 255 .
22.
JOYCE
P. B.
,
KRZYZEWSKI
T. J.
,
BELL
G. R.
,
JONES
T. S.
,
MALIK
S.
,
CHILDS
D.
and
MURRAY
R.
Phys. Rev. B , 2000 , 62 , 10891 .
23.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
LEON
R.
and
LOBO
C.
Phys. Rev. Lett., 1999 , 82 , 5148 .
24.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
JIANG
Z. M.
and
WANG
X.
J. Appl. Phys., 2001 , 90 , 2725 .
25.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
and
MATSAMURA
S.
Philos. Mag. B, 2001 (submitted)
26.
ZOU
J.
,
LIAO
X. Z.
,
COCKAYNE
D. J. H.
and
LEON
R.
Phys. Rev. B , 1999 , 59 , 12279 .
27.
ROSENAUER
A.
,
DYCK
D. VAN
,
GERTHSEN
D.
,
ARZBERGER
M.
,
BOEHM
G.
and
ABSTREITER
G.
Phys. Status Solidi B , 2001 , 224 , 213 .
28.
GERTHSEN
D.
,
ROSENAUER
A.
,
LITVINOV
D.
and
PERANIO
N.
J. Cryst. Growth , 2000 , 214 , 707 .
29.
DUNBAR
A.
,
BANGERT
U.
,
DAWSON
P.
,
HALSALL
M.
,
SHIRAKI
Y.
,
MIURA
M.
,
BERBEZIER
I.
,
JOYCE
B.
and
ZHANG
J.
Phys. Status Solidi B , 2001 , 224 , 265 .
30.
KADAVANICH
A. V.
,
KIPPENY
T.
,
ERWIN
M.
,
ROSENTHAL
S. J.
and
PENNYCOOK
S. J.
Mater. Res. Soc. Proc., 1998 , 571 , 305 .
31.
LIAO
x. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
JIANG
Z. M.
and
WANG
X.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 77 , 1304 .
32.
ZHI
D.
,
DAVCOCK
H.
,
MURRAY
R.
,
ROBERTS
C.
,
JONES
T. S.
,
PASHLEY
D. W.
,
GOODHEW
P. J.
and
JOYCE
T. B.
J. Appl. Phys., 2001 , 89 , 2079 .
33.
CHALKER
P. R.
,
DAVOCK
H.
,
THOMAS
S.
,
JOYCE
T. B.
,
BULLOUGH
T. J.
,
POTTER
R. J.
and
BALKAN
N.
J. Cryst. Growth , 2001 , 233 , 1 .
34.
HARVEY
A.
,
DAVOCK
H.
,
DUNBAR
H. A.
,
BANGERT
U.
and
GOODHEW
P. J.
J. Appl. Phys., 2001 , 34 , 636 .
35.
WERNER
P.
,
SCHEERSCHMIDT
K.
,
ZAKHAROV
N. D.
,
HILLEBRAND
R.
,
GRUNDMANN
M.
and
SCHNEIDER
R.
Cryst. Res. Technol., 2000 , 35 , 6 .
36.
MUELLER
E.
,
KIRFEL
O.
,
RASTELLI
A.
,
KAENEL
H. VON
and
GRUETZMACHER
D.
Proc. Dreiländertagung, Innsbruck, Austria, 2001, Austrian Society for Electron Microscopy.
37.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
QIN
J.
,
JIANG
Z. M.
,
WANG
X.
and
LEON
R.
Phys. Rev. B , 1999 , 60 , 15605 .
38.
XU
S. J.
,
WANG
H.
,
LI
Q.
,
XIE
M. H.
,
WANG
X. C.
,
FAN
W. J.
and
FENG
S.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 77 , 2130 .
39.
KEGEL
I.
,
METZGER
T. H.
,
LORKE
A.
,
PEISL
J.
,
STANGL
J.
,
BAUER
G.
,
NORDLUND
K.
,
SCHOENFELD
W. V.
and
PETROFF
P. M.
Phys. Rev. B , 2001 , 63 , 35318 .
40.
PAL
D.
,
TOWE
E.
and
CHEN
S.
Appl. Phys. Lett., 2001 , 78 , 4133 .
41.
STANGL
J.
,
HOLY
V.
,
SPRINGHOLZ
G.
,
BAUER
G.
,
KEGEL
I.
and
METZGER
T. H.
Mater. Sci. Eng. C , 2002 , C19 , 349.
42.
TERSOFF
J.
: Phys. Rev. Lett., 1998 , 81 , 3183 .
43.
DARUKA
I.
and
BARABASI
A. L.
Phys. Rev. Lett., 1997 ,79 , 3708 .
44.
DARUKA
I.
,
TERSOFF
J.
and
BARABASI
A. L.
Phys. Rev. Lett., 1999 , 82 , 2753 .
45.
MUELLER
P.
and
KERN
R.
Appl. Surf Sci., 1996 , 102 , 6 .
46.
PRIESTER
C.
and
LANNOO
M.
Phys. Rev. Lett., 1995 , 75 , 93 .
47.
CHEN
K. M.
,
JESSON
D. E.
,
PENNYCOOK
S. J.
,
THUNDAT
T.
and
WARMACK
R. J.
Mater. Res. Soc. Proc., 1996 , 399 , 271 .
48.
VENZUELA
P.
and
TERSOFF
J.
Phys. Rev. B , 1998 , 58 , 10871 .
49.
CHEN
Y.
and
WASHBURN
J.
Phys. Rev. Lett., 1996 , 77 , 4046 .
50.
DOBBS
H. T.
,
VVEDENSKY
D. D.
,
ZANGWILL
A.
,
JOHANSSON
J.
,
CARLSSON
N.
and
SEIFERT
w.
Phys. Rev. Lett., 1997 , 79 , 897 .
51.
RAAB
A.
and
SPRINGHOLZ
G.
Appl. Phys. Lett., 2000 ,77 , 2991 .
52.
MUKHAMETZHANOV
I.
,
WEI
Z.
,
HEITZ
R.
and
MADHUKAR
A.
Appl. Phys. Lett., 1999 , 75 , 85 .
53.
SPENCER
B. J.
and
TERSOFF
J.
Phys. Rev. Lett., 1997 , 79 , 4858 .
54.
WILLIAMS
M. L.
: J. Appl. Mech., 1952 , 19 , 526 .
55.
LEGOUES
F. K.
,
TERSOFF
J.
,
REUTER
M. C.
,
HAMMAR
M.
and
TROMP
R.
Appl. Phys. Lett., 1995 , 67 , 2317 .
56.
TERSOFF
J.
and
LEGOUES
F. K.
Phys. Rev. Lett., 1994 ,72 , 3570 .
57.
MEDEIROS-RIBEIRO
G.
,
BRATKOVSKI
A. M.
,
KAMINS
T. I.
,
OHLBERG
D. A. A.
and
WILLIAMS
R. S.
Science , 1998 , 279 , 353 .
58.
BOSCHERINI
F.
,
CAPELLINI
G.
,
GASPARE
L. DI
,
ROSEI
F.
,
MOTTA
N.
and
MOBILIO
S.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 76 , 682 .
59.
WALTER
T.
,
CULLIS
A. G.
,
NORRIS
D. J.
and
HOPKINSON
M.
Phys. Rev. Lett., 2001 ,86 , 2381 .
60.
CHAPARRO
S. A.
,
DRUCKER
J.
,
ZHANG
Y.
,
CHANDRASEKHAR
D.
,
MCCARTNEY
M. R.
and
SMITH
D. J.
Phys. Rev. Lett., 1999 , 83 , 1199 .
61.
CHAPARRO
S. A.
,
ZHANG
Y.
and
DRUCKER
J.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 76 , 3534 .
62.
VENABLES
J. A.
,
SPILLER
G. D.
and
HANBUECKEN
M.
Rep. Prog. Phys., 1984 , 47 , 399 .
63.
WALTON
D.
: J. Chem. Phys., 1962 , 37 , 2182 .
64.
MARZIN
J. Y.
,
GERARD
J. M.
,
IZRAEL
A.
and
BARRIER
D.
Phys. Rev. Lett., 1994 , 73 , 716 .
65.
MOISON
J. M.
,
HOUZAY
F.
,
BARTHE
F.
,
LEPRINCE
L.
,
ANDRE
E.
and
VATEL
o.
Appl. Phys. Lett., 1994 , 64 , 196 .
66.
WANG
G.
,
FAFARD
S.
,
LEONARD
D.
,
BOWERS
J. E.
,
MERZ
J. L.
and
PETROFF
P. M.
Appl. Phys. Lett., 1995 , 64 , 2815 .
67.
NOTZEL
R.
,
TEMMYO
J.
and
TAMAMURA
T.
Nature , 1994 , 369 , 131 .
68.
GERALD
J. M.
: Appl. Phys. Lett., 1992 , 61 , 2096 .
69.
GOLDFARB
I.
,
HAYDEN
P. T.
,
OWEN
J. H. G.
and
BRIGGS
G. A. D.
Phys. Rev. Lett., 1997 , 78 , 3959 .
70.
GOLDFARB
I.
and
BRIGGS
G. A. D.
J. Cryst. Growth , 1999 , 198 , 1032 .
71.
MO
Y. W.
,
SAVAGE
D. E.
,
SWARTZENTRUBER
B. S.
and
LAGALLY
M. G.
Phys. Rev. Lett., 1990 , 65 , 1020 .
72.
BARABASI
A. L.
: Appl. Phys. Lett., 1997 , 70 , 2565 .
73.
SAITO
T.
,
SCHULMAN
J. N.
and
ARAKAWA
Y.
Phys. Rev. Lett., 1998 , 57 , 13016 .
74.
CHAPARRO
S. A.
,
DRUCKER
J.
,
ZHANG
Y.
,
CHANDRASEKHAR
D.
,
MCCARTNEY
M. R.
and
SMITH
D. J.
Phys. Rev. Lett., 1999 , 83 , 1199 .
75.
CHAPARRO
S. A.
,
ZHANG
Y.
and
DRUCKER
J.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 76 , 3534 .
76.
LIU
N.
,
TERSOFF
J.
,
BAKLENOV
O.
,
HOLMES
A. L.
and
SHIH
C. K.
Phys. Rev. Lett., 2000 , 84 , 334 .
77.
KODUVELY
H. M.
and
ZANGWILL
A.
Phys. Rev. B , 1999 , 60 , R2204 .
78.
LANDIN
L.
,
MILLER
M.
,
PISTOL
M. E.
,
PRYOR
C.
and
SAMUELSON
S.
Science , 1998 , 280 , 262 .
79.
DREXLER
H.
,
LEONARD
D.
,
HANSEN
W.
,
KOTTHAUS
G.
and
PETROFF
P.
Phys. Rev. Lett., 1994 , 73 , 2252 .
80.
MEDEIROS-RIBEIRO
D.
,
LEONARD
G.
P. PETROFF. Appl. Phys. Lett., 1995 , 66 , 1767 .
81.
DEKEL
E.
,
GERSHONI
D.
,
EFIRENFREUND
E.
,
SPEKTOR
D.
,
GARCIA
J.
and
PETROFF
P.
Phys. Rev. Lett., 1998 , 80 , 4991 .
82.
WEI
S.H.
and
ZUNGER
A.
Appl. Phys. Lett., 1998 , 72 , 2011 .
83.
HEITZ
R.
,
BORN
H.
,
LOTTGERT
T.
,
HOFFMANN
A.
and
BIMBERG
D.
Phys. Status Solidi B , 2000 , 221 , 65 .
84.
PUTYATO
M. A.
,
SEMYAGIN
B. R.
and
WERNER
R.
Semiconduc-tors , 1998 , 32 , 683 .
85.
MEDUNA
M.
,
HOLY
V.
,
ROCH
T.
,
STANGL
J.
,
BAUER
G.
,
ZHU
J.
,
BRUNNER
K.
and
ABSTREITER
G.
J. Appl. Phys., 2001 ,89 , 4836 .
86.
SCHMIDBAUER
M.
,
WIEBACH
T.
,
RAIDT
H.
,
HANKE
M.
,
KOEHLER
R.
and
WAWRA
H.
Phys. Rev. B , 1998 , 58 , 10523 .
87.
STANGL
J.
,
HOLY
P.
,
MIKULIK
P.
,
BAUER
G.
,
KEGEL
I.
,
METZGER
T. H.
,
SCHMIDT
O. G.
,
LANGE
C.
and
EBERL
K.
Appl. Phys. Lett., 1999 , 74 , 3785 .
88.
STANGL
J.
,
HOLY
V.
,
ROCH
T.
,
DANIEL
A.
,
BAUER
G.
,
ZHU
J.
,
BRUNNER
K.
and
ABSTREITER
G.
Phys. Rev. B , 2000 , 62 , 7229 .
89.
RAUSCHER
M.
,
PANIAGO
R.
,
METZGER
H.
,
KOVATS
Z.
,
DOMKE
J.
,
PEISL
J.
,
PFANNES
H. D.
,
SCHULZE
J.
and
EISELE
I.
J. Appl. Phys., 1999 , 86 , 6763 .
90.
HOLY
V.
,
ROCH
T.
,
STANGL
J.
,
DANIEL
A.
,
BAUER
G.
,
METZGER
I.
,
ZHU
K.
,
BRUNNER
G.
and
ABSTREITER
G.
Phys. Rev. B , 2001 ,63 , 205318 .
91.
DARHUBER
A. A.
,
SCHITTENHELM
P.
,
HOLY
V.
,
STANGL
J.
,
BAUER
G.
and
ABSTREITER
G.
Phys. Rev. B , 1997 , 55 , 15652 .
92.
WIEBACH
T.
,
SCHMIDBAUER
M.
,
HANKE
M.
,
RAIDT
H.
,
KOEHLER
R.
and
WAWRA
H.
Phys. Rev. B , 2000 , 61 , 5571 .
93.
ZHANG
K.
,
HEYN
C.
,
HANSEN
W.
,
SCHMIDT
T.
and
FALTA
J.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 77 , 1295 .
94.
STANGL
J.
,
ROCH
T.
,
BAUER
G.
,
KEGEL
I.
,
METZGER
T. H.
,
SCHMIDT
O. G.
,
EBERL
K.
,
KIENZLE
O.
and
ERNST
F.
Appl. Phys. Lett., 2000 , 77 , 3953 .
95.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
JIANG
Z. M.
and
WANG
X.
J. Appl. Phys., 2001 , 90 , 2725 .
96.
GIORGIO
M. DE
,
PASSASEO
A.
,
RINALDI
R.
,
JOHAL
T.
,
CINGOLANI
R.
,
TAURINO
A.
,
CATALANO
M.
and
CROZIER
P.
Phys. Status Solidi B , 2001 , 224 , 17 .
97.
HOFER
F.
,
WARBICHLER
P.
and
GROGGER
W.
Tiltra Microscopy , 1995 , 59 , 15 .
98.
WALTER
T.
: Mater. Sci. Forum , 1995 , 196 , 505 .
99.
LIAO
X. Z.
,
ZOU
J.
,
COCKAYNE
D. J. H.
,
QIN
J.
,
JIANG
M.
,
WANG
X.
and
LEON
R.
Phys. Rev. B , 1999 , 60 , 15605 .
100.
BROWNING
N. D.
,
ARSLAN
I.
,
ITO
Y.
,
JAMES
E.
,
KLIE
R.
,
MOECK
P.
,
TOPURIA
T.
and
XIN
Y.
J. Electron Microsc., 2001 , 50 , 205 .
101.
KIRMSE
H.
,
NEUMANN
W.
,
WIEBACH
T.
,
KOEHLER
R.
,
SCHEERSCHMIDT
K.
and
CONRAD
D.
Mater. Sci. Eng. B, 2000, 69-70, 361.
102.
SCHEERSCHMIDT
K.
,
CONRAD
D.
,
KIRMSE
H.
,
SCHNEIDER
R.
and
NEUMANN
w.
Ultramicroscopy , 2000 , 81 , 289 .
103.
LIU
C. P.
,
GIBSON
J. M.
,
CAHILL
D. G.
,
KAMINS
T. I.
,
BASILE
D. P.
and
WILLIAMS
R. S.
Phys. Rev. Lett., 2000 , 84 , 1958 .
104.
LIU
C. P.
,
MILLER
P. D.
,
HENSTROM
W. L.
and
GIBSON
J. M.
J. Microsc., 2000 , 199 , 130 .
105.
MCCAFFREY
J. P.
,
ROBERTSON
M. D.
,
FAFARD
S.
,
WASILEWSKI
Z. R.
,
GRISWOLD
E. M.
and
MADSEN
L. D.
J. Appl. Phys., 2000 , 88 , 2272 .
106.
GIRONS
G. SAINT
,
PATRIARCHE
G.
,
LARGEAU
L.
,
COELHO
J.
,
MEREUTA
A.
,
MOISON
J. M.
,
GERARD
J. M.
and
SAGNES
I.
Appl. Phys. Lett., 2001 ,79 , 2157 .
107.
STADELMANN
P. A.
: LiltrailliCrOSCOpy , 1987 , 21 , 131 .
108.CERIUS program package, Molecular Simulations Inc., San Diego, CA, USA .