We present an experimental and theoretical analysis of the influence of a surface nanopattern on the properties of embedded InAs/GaAs quantum dots (QD). In particular, we analyze QDs grown on nanoimprint lithography (NIL) patterned grooves and investigate the influence of the non-planar surface morphology on the size, shape, strain distribution, and electronic structure of the embedded QDs. We show that the height reduction of InAs QDs during GaAs capping is significantly less pronounced for the QDs grown on the pattern than for the self-assembled QDs. Furthermore, the pattern has a strong impact on the strain and composition profile within the QD. The experimentally observed strain distribution was successfully reproduced with a three-dimensional model assuming an inverse-cone type composition gradient. Moreover, we show that the specific morphology of the QDs grown in the grooves gives rise to an increase of the vertically polarized photoluminescence emission which was explained by employing 8-band k.p calculations. Our findings emphasize that the surface curvature of the pattern not only determines the nucleation sites of the QDs but also has a strong impact on their morphological properties including shape, size, composition profile, and strain distribution. These properties are strongly cross-correlated and determine the electronic and optical characteristics of the QDs.

1.
J.
Claudon
,
J.
Bleuse
,
N. S.
Malik
,
M.
Bazin
,
P.
Jaffrennou
,
N.
Gregersen
,
C.
Sauvan
,
P.
Lalanne
, and
J.-M.
Gérard
,
Nat. Photonics
4
,
174
(
2010
).
2.
R. M.
Stevenson
,
R. J.
Young
,
P.
Atkinson
,
K.
Cooper
,
D. A.
Ritchie
, and
A. J.
Shields
,
Nature
439
,
179
182
(
2006
).
3.
T. V.
Hakkarainen
,
J.
Tommila
,
A.
Schramm
,
A.
Tukiainen
,
R.
Ahorinta
,
M.
Dumitrescu
, and
M.
Guina
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
173107
(
2010
).
4.
J.
Tommila
,
A.
Tukiainen
,
J.
Viheriälä
,
A.
Schramm
,
T.
Hakkarainen
,
A.
Aho
,
P.
Stenberg
,
M.
Dumitrescu
, and
M.
Guina
,
J. Cryst. Growth
323
,
183
(
2011
).
5.
A.
Schramm
,
J.
Tommila
,
C.
Sterlow
,
T. V.
Hakkarainen
,
A.
Tukiainen
,
M.
Dumitrescu
,
A.
Mews
,
T.
Kipp
, and
M.
Guina
,
Nanotechnology
23
,
175701
(
2012
).
6.
C.
Schneider
,
M.
Straub
,
T.
Sunner
,
A.
Huggenberger
,
D.
Wiener
,
S.
Reitzenstein
,
M.
Kamp
,
S.
Hofling
, and
A.
Forchel
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
183101
(
2008
).
7.
J.
Skiba-Szymanska
,
A.
Jamil
,
I.
Farrer
,
M. B.
Ward
,
C. A.
Nicoll
,
D. J. P.
Ellis
,
J. P.
Griffiths
,
D.
Anderson
,
G. A. C.
Jones
, and
D. A.
Ritchie
,
Nanotechnology
22
,
065302
(
2011
).
8.
K. D.
Jöns
,
P.
Atkinson
,
M.
Müller
,
M.
Heldmaier
,
S. M.
Ulrich
,
O. G.
Schmidt
, and
P.
Michler
,
Nano Lett.
13
,
126
(
2013
).
9.
Y.
Morishita
,
M.
Ishiguro
,
S.
Miura
, and
Y.
Enmei
,
J. Cryst. Growth
237
,
1291
(
2002
).
10.
P.
Alonso-González
,
L.
González
,
Y.
González
,
D.
Fuster
,
I.
Fernández-Martínez
,
J.
Martín-Sánchez
, and
L.
Abelmann
,
Nanotechnology
18
,
355302
(
2007
).
11.
J.
Martiìn-Saìnchez
,
G.
Muñoz-Matutano
,
J.
Herranz
,
J.
Canet-Ferrer
,
B.
Alén
,
Y.
Gonzaìlez
,
P.
Alonso-González
,
D.
Fuster
,
L.
González
, and
J.
Martiìnez-Pastor
,
ACS Nano
3
,
1513
(
2009
).
12.
D. J.
Srolovitz
,
Acta. Metall.
37
,
621
(
1988
).
13.
N. N.
Ledentsov
,
V. A.
Shchukin
,
M.
Grundmann
,
N.
Kirstaedter
,
J.
Böhrer
,
O.
Schmidt
,
D.
Bimberg
,
V. M.
Ustinov
,
A.
Yu. Egorov
,
A. E.
Zhukov
,
P. S.
Kop'ev
,
S. V.
Zaitsev
,
N.
Yu. Gordeev
,
Z. I.
Alferov
,
A. I.
Borokov
,
A. O.
Kosogov
,
S. S.
Ruvimov
,
P.
Werner
,
U.
Gösele
, and
J.
Heydenreich
,
Phys. Rev. B
54
,
8743
(
1996
).
14.
G.
Biasiol
,
V.
Baranwal
,
S.
Heun
,
M.
Prasciolu
,
M.
Tormen
,
A.
Locatelli
,
T. O.
Mentes
,
M. A.
Niño
, and
L.
Sorba
,
J. Cryst. Growth
323
,
176
(
2011
).
15.
S.
Kiravittaya
,
A.
Rastelli
, and
O. G.
Schmidt
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
243112
(
2005
).
16.
Z.
Zhong
,
W.
Schwinger
,
F.
Schäffler
,
G.
Bauer
,
G.
Vastola
,
F.
Montalenti
, and
L.
Miglio
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
176102
(
2007
).
17.
D. J. P.
Ellis
,
R. M.
Stevenson
,
R. J.
Young
,
A. J.
Shields
,
P.
Atkinson
, and
D. A.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
011907
(
2007
).
18.
T. V.
Hakkarainen
,
J.
Tommila
,
A.
Schramm
,
A.
Tukiainen
,
R.
Ahorinta
,
M.
Dumitrescu
, and
M.
Guina
,
Nanotechnology
22
,
295604
(
2011
).
19.
T. V.
Hakkarainen
,
V.
Polojärvi
,
A.
Schramm
,
J.
Tommila
, and
M.
Guina
,
Nanotechnology
23
,
115702
(
2012
).
20.
T. V.
Hakkarainen
,
A.
Schramm
,
J.
Tommila
, and
M.
Guina
,
J. Appl. Phys.
111
,
014306
(
2012
).
21.
J.
Tommila
,
Ch.
Strelow
,
A.
Schramm
,
T. V.
Hakkarainen
,
M.
Dumitrescu
,
T.
Kipp
, and
M.
Guina
,
Nanoscale Res. Lett.
7
,
313
(
2012
).
22.
S.
Kiravittaya
,
H.
Heidemeyer
, and
O.
Schmidt
,
Physica E (Amsterdam)
23
,
253
(
2004
).
23.
G.
Costantini
,
A.
Rastelli
,
C.
Manzano
,
P.
Acosta-Diaz
,
R.
Songmuang
,
G.
Katsaros
,
O. G.
Schmidt
, and
K.
Kern
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
226106
(
2006
).
25.
E.
Luna
,
A.
Trampert
,
E.-M.
Pavelescu
, and
M.
Pessa
,
New J. Phys.
9
,
405
(
2007
).
27.
J. P.
McCaffrey
,
M. D.
Robertson
,
S.
Fafard
,
Z. R.
Wasilewski
,
E. M.
Griswold
, and
L. D.
Madsen
,
J. Appl. Phys.
88
,
2272
(
2000
).
28.
G. D.
Lian
,
J.
Yuan
,
L. M.
Brown
,
G. H.
Kim
, and
D. A.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
49
(
1998
).
29.
M. V.
Maximov
,
A. F.
Tsatsul'nikov
,
B. V.
Volovik
,
D. A.
Bedarev
,
A. Y.
Egorov
,
A. E.
Zhukov
,
A. R.
Kovsh
,
N. A.
Bert
,
V. M.
Ustinov
,
P. S.
Kop'ev
,
Z. I.
Alferov
,
N. N.
Ledentsov
,
D.
Bimberg
,
I. P.
Soshnikov
, and
P.
Werner
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2347
(
1999
).
30.
H.
Blank
,
D.
Litvinov
,
R.
Schneider
,
D.
Gerthsen
,
T.
Passow
, and
K.
Scheerschmidt
,
Cryst. Res. Technol.
44
,
1083
(
2009
).
31.
F.
Heinrichsdorff
,
A.
Krost
,
M.
Grundmann
,
D.
Bimberg
,
A.
Kosogov
, and
P.
Werner
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
3284
(
1996
).
32.
O.
Flebbe
,
H.
Eisele
,
T.
Kalka
,
F.
Heinrichsdorff
,
A.
Krost
,
D.
Bimberg
, and
M.
Dähne
,
J. Vac. Sci. Technol. B
17
,
1639
(
1999
).
33.
H.
Eisele
,
O.
Flebbe
,
T.
Kalka
,
C.
Preinesberger
,
F.
Heinrichsdorff
,
A.
Krost
,
D.
Bimberg
, and
M.
Dähne
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
106
(
1999
).
34.
K.
Ozasa
,
Y.
Aoyagi
,
M.
Iwaki
, and
H.
Kurata
,
J. Appl. Phys.
94
,
313
(
2003
).
35.
A. V.
Koudinov
,
I. A.
Akimov
,
Yu. G.
Kusrayev
, and
F.
Henneberger
,
Phys. Rev. B
70
,
241305
(
2004
).
36.
P.
Jayavel
,
H.
Tanaka
,
T.
Kita
,
O.
Wada
,
H.
Ebe
,
M.
Sugawara
,
J.
Tatebayashi
,
Y.
Arakawa
, and
T.
Akiyama
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1820
(
2004
).
37.
M.
Usman
,
V.
Tasco
,
M.
Todaro
,
M. D.
Georgi
,
E. P.
O'Reilly
,
G.
Klimeck
, and
A.
Passaseo
,
Nanotechnology
23
,
165202
(
2012
).
38.
R. A.
Soref
,
S. Y.
Cho
,
W. R.
Buchwald
,
R. E.
Peale
, and
J. W.
Cleary
, “
Silicon plasmonic waveguides
,” in
An Introduction to Silicon Photonics
, edited by
S.
Fathpour
and
B.
Jalali
(
Taylor and Francis
,
UK
,
2010
).
39.
K.
Du
,
Y.
Rau
,
N. Y.
Jin-Phillipp
, and
F.
Phillipp
,
J. Mater. Sci. Technol.
18
,
135
138
(
2002
).
40.
R.
Bierwolf
,
M.
Hohenstein
,
F.
Phillipp
,
O.
Brandt
,
G. E.
Crook
, and
K.
Ploog
,
Ultramicroscopy
49
,
273
285
(
1993
).
41.
H.-C.
Chung
,
Y.-F.
Lai
,
C.-P.
Liu
,
Y.-L.
Lai
,
Y.-C.
Fang
, and
L.
Hsu
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
051903
(
2008
).
42.
M. A.
Migliorato
,
A. G.
Cullis
,
M.
Fearns
, and
J. H.
Jefferson
,
Phys. Rev. B
65
,
115316
(
2002
).
43.
G. R.
Liu
and
Q.
Jerry
,
Semicond. Sci. Technol.
17
,
630
(
2002
).
44.
T.
Benabbas
,
Y.
Androussi
, and
A.
Lefebvre
,
J. Appl. Phys.
86
,
1945
(
1999
).
45.
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
39
,
1871
(
1989
).
46.
M. P. C. M.
Krijn
,
Semicond. Sci. Technol.
6
,
27
(
1991
).
47.
N.
Liu
,
J.
Tersoff
,
O.
Baklenov
,
A. L.
Holmes
, Jr.
, and
C. K.
Shih
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
334
(
2000
).
48.
J. A.
Majewski
,
S.
Birner
,
A.
Trellakis
,
M.
Sabathil
, and
P.
Vogl
,
Phys. Status Solidi C
1
,
2003
(
2004
).
49.
D.
Grützmacher
,
T.
Fromherz
,
C.
Dais
,
J.
Stangl
,
E.
Müller
,
Y.
Ekinci
,
H. H.
Solak
,
H.
Sigg
,
R. T.
Lechner
,
E.
Wintersberger
,
S.
Birner
,
V.
Holý
, and
G.
Bauer
,
Nano Lett.
7
,
3150
(
2007
).
50.
M. O.
Lipinski
,
H.
Schuler
,
O. G.
Schmidt
,
K.
Eberl
, and
N. Y.
Jin-Phillipp
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1789
(
2000
).
51.
D.
Digiuni
,
R.
Gatti
, and
F.
Montalenti
,
Phys. Rev. B
80
,
155436
(
2009
).
52.
G.
Costantini
,
A.
Rastelli
,
C.
Manzano
,
R.
Songmuang
,
O. G.
Schmidt
,
K.
Kern
, and
H.
von Känel
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5673
(
2004
).
53.
J.
Stangl
,
V.
Holy
, and
G.
Bauer
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
725
(
2004
).
You do not currently have access to this content.