자체 조직화된 InAs/InGaAs 양자점 초격자에서 공간적으로 국부적인 엑시톤 감지:광전지 효율을 개선하는 방법

결과 및 토론

그림 2는 에너지 범위 1~6eV에 대해 300K에서 InAs/InGaAs/GaAs QD 이종 구조의 유전 함수의 측정된 실수(a) 및 허수(b) 부분을 보여줍니다. 실제 부분과 허수 부분은 다른 패턴을 따릅니다. 광자 에너지에 따른 유전 함수의 변화는 필름의 광자와 전자 사이의 일부 상호작용이 1–6 eV의 에너지 범위에서 생성됨을 나타냅니다. 두 가지 주요 스펙트럼 기능은 E₁입니다. 및 E₂ 임계점(CP) 구조는 각각 ~3 및 ~4.5eV입니다[11, 12]. 서로 다른 대역간 전이의 에너지 위치를 정량적으로 결정하기 위해 의사 유전 함수의 허수 부분에 대한 2차 도함수 스펙트럼의 영교차를 취했습니다. 얻은 다양한 전이 에너지는 표 1에 요약되어 있습니다.

실수(ϵ ₁ ) (빨간색 파선 ) 및 허수(ϵ ₂ ) (파란색 실선 ) SE 측정에서 얻은 InAs/InGaAs QD 이종 구조의 유전 기능 부분 [10]

그림 3은 그림 2에 표시된 의사 유전 함수의 허수부의 2차 에너지 미분 스펙트럼을 보여줍니다. 2.9 및 3.1 eV의 두 피크는 각각 E에 해당합니다. ₁ 및 E ₁ + Δ₁ , GaAs의 대역 간 전환. 그러나 약 4.4 및 4.7 eV에서 밀접하게 위치한 두 피크는 CP 전이 E로 인해 발생합니다. ₀ ' 및 E ₂ , 각각 InAs QD 레이어 [12]. 우리는 E ₁ + Δ₁ E에 대한 InA의 CP 에너지(2.74 eV) [12] ₁ 1(2.91 eV)[11] GaAs는 두 에너지 값 사이의 작은 차이로 인해 배제될 수 없습니다. 낮은 에너지에서 GaAs의 밴드 갭은 ε 약 1.4eV의 스펙트럼 또한 두 번째 에너지 미분 스펙트럼(그림 3)은 E ₀ + Δ₀ GaAs의 CP 에너지 [11]. ε ₂ 재료 품질의 게이지 및 척도입니다. 가장 높은 값은 가장 급격한 인터페이스를 의미합니다[13]. 문헌에 따르면, ε ₂ E 영역에서 얻은 약 25의 값, 우리의 경우 가장 높은 값은 26.8 ₂ 4.7 eV 부근의 밴드 갭은 SS-MBE에 의해 성장된 InAs/InGaAs/GaAs QD 헤테로구조를 형성하는 재료의 고품질을 나타냅니다.

허수부의 2차 도함수 스펙트럼(ϵ ₂ ) InAs/InGaAs QD 헤테로구조에 대한 광자 에너지의 함수로서의 유전 기능. InAs QD 레이어와 GaAs 레이어에서 발생하는 전이 에너지가 표시됩니다[10]

그림 4는 저온(12K)에서 여기 전력이 100mW인 InAs/InGaAs/GaAs QD 이종 구조에서 활성 영역의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 분명히 스펙트럼은 고에너지 측에 위치한 비대칭 모양을 나타내며 가우시안 피팅에 의해 두 개의 하위 대역으로 분해될 수 있습니다[14]. 점 크기에 대한 양자 구속 전위의 의존성을 고려할 때, 1.06eV에 위치한 가장 강렬한 피크는 더 큰 QD(LQD)의 기저 상태에서 방출에 기인하는 반면 1.11eV에서 더 높은 에너지 피크는 더 작은 QD(SQD)의 기저 상태[15]. 따라서 매우 낮은 여기 전력과 낮은 온도에서 비대칭 모양은 도트의 바이모달 크기 분포에서 비롯된 발광 때문이라고 추론합니다[16]. 또한, InGaAs 양자우물층에서 발생하는 피크, GaAs 전도대의 전자와 탄소 수용체 수준(e-C_As ) [17] 및 GaAs 밴드 갭은 각각 1.35, 1.49 및 1.51eV 주변에서 볼 수 있습니다. 비대칭 모양에 대한 이러한 속성을 확인하기 위해 10~100mW 범위의 다양한 레이저 출력에서 ​​PL 측정을 수행했습니다. 또한 조사된 것과 유사한 캡이 없는 구조에 대해 AFM 측정을 수행했습니다. 그림 5에서 이종 구조가 전력 독립적인 PL 모양을 가짐이 분명합니다. 가장 높은 여기 스펙트럼을 제외하고, 이종 구조 고에너지 PL 피크의 PL 강도와 선폭은 크게 변하지 않았습니다. 또한 두 PL 피크(그림 5) 사이의 에너지 분리는 약 50meV입니다. 예상대로 AFM 이미지는 다섯 번째 레이어의 QD가 전체 QD 밀도가 7 × 10 ¹⁰ 인 이중 모드 크기 분포를 가지고 있음을 보여줍니다. cm^(−2). 이종구조의 저에너지 측면 피크가 큰 QD(LQD)의 기저 상태에 해당한다고 가정하면, 고전력에서의 고 에너지 피크는 상대적으로 작은 QD(SQD)의 기저 상태의 결과로 나타나는 것처럼 보입니다. ).

5층 적층 InAs/InGaAs QD 이종 구조에서 저온(12K)에서 측정한 PL 스펙트럼. 스펙트럼의 선 모양 분석은 QD PL 신호가 실선으로 표시된 것처럼 두 개의 가우스 모양 피크의 회선임을 증명합니다.

12K에서 측정된 InAs/InGaAs QD 이종구조의 여기 전력 종속 정규화된 PL 스펙트럼

PL 재조합 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 10~300K의 이종 구조에서 온도 종속 PL 측정이 수행되고 그림 6에 나와 있습니다. 그림 7은 LQD의 방출과 관련된 주요 피크의 PL 에너지 위치를 보여줍니다. 이 피크는 기존 GaAlAs와 같은 다른 III-V 삼원 합금과 비교하여 10~100K 사이의 비정상적인 온도 의존성을 나타냅니다[18]. 이 온도 범위(영역 (i))에서 약 12meV의 적색 편이가 관찰됩니다. 이 이동은 불균일하게 분포된 LQD의 앙상블 내에서 국부화된 상태를 통한 여기자의 재조합으로 인한 것입니다. 이 온도 범위 내에서 온도가 증가함에 따라 캐리어는 열적으로 활성화되고 앙상블 내에서 더 작은 QD에서 더 큰 QD로 이동되어 결국 복사적으로 재결합됩니다. 이것은 관찰된 현상이 우리 구조의 큰 도트 크기 분산에서 비롯될 가능성이 있도록 만듭니다(AFM 삽입 참조). 2개의 재결합 과정(국소화 캐리어와 비편재화 캐리어)이 PL 신호에 동등하게 참여하는 특성 온도는 T로 표시됩니다. _loc/deloc . 그런 다음 100~120K(영역(ii))에서 피크 에너지가 증가합니다. 이것은 캐리어가 얕은 상태에서 높은 상태로 탈출하기 때문입니다. 특성 온도는 T로 표시됩니다. _{이스케이프} . 심지어 높은 온도(영역 (iii))에서도 여기자는 완전히 비편재화되고 대역 간 재결합이 회복됩니다.

100mW의 여기 전력에서 측정된 InAs/InGaAs QD 이종구조의 온도 의존적 ​​PL 스펙트럼

다양한 온도에서 측정된 조사된 InAs/InGaAs QD 헤테로구조의 LQD PL 피크 에너지

InAs/InGaAs/GaAs 다중 적층 QD의 재결합 과정을 더 이해하기 위해 우리는 포토카운팅 시간 상관 기술을 사용하여 시간 분해 PL을 연구했습니다. 이론적으로 QD의 여기자 붕괴 수명은 온도에 민감하다고 예측되었습니다[19]. 실험적 측정에 따르면 수명은 실제로 임계 온도 이하의 온도에서 일정합니다[20]. Markus et al. [21]은 실험 오차 내에서 광범위한 온도에서 약 950ps의 일정한 수명을 보고했습니다.

그림 8a는 1.06eV로 고정된 감지 에너지와 여기 에너지(λ)에 대한 17~240K 사이의 PL 감쇠 스펙트럼을 나타냅니다. _예외 =514nm). 이러한 스펙트럼은 낮은 온도에서 ~1000ps의 감쇠 시간을 갖는 단일 지수 함수에 의해 이론적으로 잘 맞습니다. III-V 반도체 박막[22]에 비해 이 느린 감쇠 시간은 국부적 상태[23]의 존재를 나타내는 신호이며 LQD 피크에서 캐리어의 재결합은 순전히 복사적이어야 합니다. 실제로 저온에서 광 생성 전자와 정공은 재결합하기 전에 여기자를 형성하고 에너지를 이완하여 얕은 국부 상태에 포착되는 데 시간이 걸립니다. 이러한 현상으로 인해 감쇠 시간이 느려집니다. PL 감쇠 시간에 대한 온도 효과가 연구되었으며 그림 8b에 표시된 것처럼 두 가지 다른 영역의 존재를 보여줍니다[24]. PL 대역(LQD(1.06eV))의 낮은 에너지와 관련된 감쇠 시간은 140K까지 거의 일정(1000ps)한 다음 온도가 증가함에 따라 감소합니다.

아 514nm의 파장 여기에서 LQD 피크 대 샘플 온도의 감쇠 시간입니다. ㄴ 514nm의 여기 파장에서 측정된 LQD 피크의 온도에 대한 일반적인 광발광 감쇠 강도

이론적 접근 방식

PL의 비정상적인 온도 의존성을 이해하기 위해 Li et al.에 의해 개발된 LSE 모델을 사용하여 PL 피크 위치를 조사했습니다. [25, 26]. 실제로, 이 정량적 모델은 이전에 붕소 기반 B(In)GaAs/GaAs [27, 28] 합금 및 InGaAs/GaAs와 같은 여러 III-V 재료에서 관찰된 국부 상태 발광의 비정상적인 스펙트럼 특성에 대한 만족스러운 설명을 제공합니다. MQW[29, 30]. 모델은 지역화된 상태가 다음과 같이 주어진 상태 밀도에 대한 가우스 유형 에너지 분포를 갖는다고 가정합니다.

$$ \rho (E)={\rho}_o{e}^{-{\left(\frac{E-{E}_{\mathrm{ch}}}{2{\sigma}^2}\ 오른쪽)}^2} $$ (1)

여기서 σ 및 E _ch 는 국부적 상태(국소화 깊이) 분포에 대한 확장 매개변수이고 캐리어가 전송을 위해 극복해야 하는 장벽 수준입니다. 준 정상 상태에서 국부적인 여기자의 역학은 다음 속도 방정식으로 설명할 수 있습니다.

$$ \frac{dN\left( E, T\right)}{dt}=G(E)+\frac{\gamma_c N\hbox{'}\left( E, T\right)\rho (E) }{\Lambda}-\frac{N\left( E, T\right)}{\tau_{\mathrm{tr}}}{e}^{\frac{E-{E}_a}{K_B T} }-\frac{N\left( E, T\right)}{\tau_{\mathrm{r}}}=0 $$ (2)

매개변수 τ _r , τ _tr , γ _ㄷ , 케이 _나 , Λ 및 N '는 각각 캐리어 재결합 시간(복사 수명), 캐리어 이동 시간(비방사 수명), 재포획 계수, 볼츠만 상수, 국부 상태의 총 수 및 외부에서 열적으로 활성화된 캐리어의 총 수를 나타냅니다. 현지화된 상태. 지 (이 )는 캐리어 생성 속도를 나타냅니다. 수량 \( \frac{\gamma_c N\hbox{'}\left( E, T\right)\rho (E)}{\Lambda} \) 는 단위당 지역화된 상태에 의해 다시 캡처된 캐리어의 수입니다. 시각. 오른쪽의 세 번째 항은 국부적 캐리어의 열 탈출율을 나타냅니다. 마지막 것은 복사 재결합으로 인한 운반체의 인구 감소율을 나타냅니다. 국부적 캐리어의 캐리어 모집단 밀도는 국부적 캐리어 상태의 분포 함수 및 밀도에 비례합니다. 사실, Eq. (2) 식으로 설명할 수 있습니다. (3).

$$ N\left( E, T\right)=\frac{\rho_o{e}^{-{\left(\frac{E-{E}_0}{2{\sigma}^2}\right) }^2}}{\left[\frac{\tau_{\mathrm{tr}}}{\tau_{\mathrm{r}}} + exp\left(\frac{\left( E-{E}_ {\mathrm{ch}}\right)}{K_{\mathrm{B}} T}\right)\right]} $$ (3)

여기서 E ₀ 중심에너지이다. 수학적으로 \( \frac{\partial N\left( E, T\right)}{\partial t}=0 \)에서 결정된 국부적 상태 내에서 캐리어 열 재분포로 인한 피크 위치의 온도 의존성은 다음과 같이 주어집니다. :

$$ E(T)={E}_0- x(T){K}_B T $$ (4)

x 위치 (T )은 비선형 Eq.의 수치해입니다. (5):

$$ x{e}^x=\left[{\left(\frac{\sigma}{K_b T}\right)}^2- x\right]\left(\frac{\tau_{\mathrm{r }}}{\tau_{\mathrm{tr}}}\right) exp\left[\frac{\left({E}_0-{E}_{\mathrm{ch}}\right)}{K_{ \mathrm{B}} T}\right] $$ (5)

방정식 5에는 \( 0 $$ E(T)\대략 {E}_0-\frac{\sigma^2}{K_B T} $$ (6)

이상화된 반도체 물질의 밴드 갭은 일반적으로 Passler 실험식[32]으로 설명되는 것으로 알려져 있습니다. 열 재분배 계수로 인한 보정을 고려하면 Eq. (7):

$$ E(T)={E}_0-\frac{\alpha \theta}{2}\left[\sqrt[ P]{1+\left(\frac{2 T}{\theta}\right) }\kern0.5em -1\right]- x(T){K}_B T $$ (7)

여기서 θ Debye 온도 θ와 유사할 것으로 예상되는 특성 온도 매개변수입니다. _D . T를 위해>>θ , 우리는 α가 1차 도함수 크기의 극한을 나타냄을 알 수 있습니다. \( {\frac{dEg(T)}{dT}}_{T\to \infty } \). 지수 "p"는 기본 전자-포논 스펙트럼 함수의 모양과 관련이 있습니다[33]. 이 모델은 그림 9에서 확인할 수 있는 실험적 진화에 잘 맞습니다. 피팅 매개변수는 표 2에 요약되어 있습니다.

<그림>

LQD 피크의 온도 의존적 ​​광발광 진화(검정색 사각형 ) 경험적 Passler 법칙을 사용하여 피팅됨(파란색 실선 ) 및 LSE 모델에 대한 수정된 Passler 관계 진리(빨간색 실선 )

PL 피크 에너지는 그림 10에 표시된 열 재분포에 크게 의존합니다. 마지막은 극저온 범위의 급격한 증가를 나타냅니다. 열 재분배의 최대값은 에너지 진화의 최대 적색편이에 해당합니다(~50–100K). PL 온도가 높은 영역에서 열 재분포는 기하급수적으로 감소하고 150K에서 비편재화 프로세스와 대역 간 전환으로의 복귀를 시작하면서 상쇄되는 경향이 있습니다. 또한 고전곡선과 수정곡선이 중첩될 때 이를 관찰할 수 있습니다(그림 9). 지수 "p"는 종방향 음향(LA) 포논의 기여가 종방향 광학(LO)의 기여도보다 더 중요함을 나타냅니다. ) 포논. 이 기여는 방출이 포논을 통해 지원되는 높은 PL 온도 영역에서 지배적인 것으로 보입니다. 바이모달 분포 프로세스는 비편재화된 전자와 에너지 E로 분리된 정공 상태로 표시되는 QD 사이의 커플링 채널을 엽니다. _채널 . 이 결합 채널의 기원은 여전히 ​​논쟁의 대상입니다[34,35,36]. 그러나 커플링 채널은 2차원 WL과 0차원 QD 상태 사이에 존재하는 중간 상태로 볼 수 있습니다[37]. 따라서 QD 상태의 캐리어는 필요한 더 작은 활성화 에너지로 인해 WL보다 결합 채널에 더 쉽게 열 여기될 수 있고 유한한 거리 내에서 인접한 QD로 전달될 수 있다고 상상할 수 있습니다. Fermi-Dirac 분포에서 Fermi-Dirac 수준처럼 보입니다. 이 에너지 E _채널 활성화 에너지 E보다 작습니다. _아 Arrhenius 다이어그램에서 추출했습니다(그림 11). E가 된 이유 _아 그림 12에서와 같이 캐리어가 젖음층(WL)에 도달하기 위해 더 큰 에너지가 필요하다는 사실로 설명할 수 있습니다. 또한 차이의 크기 ΔE =E _채널 − E ₀ 국소 캐리어의 발광의 비정상적인 온도 의존성을 결정하는 데 더 중요한 역할을 합니다. 두 가지 경우, E _채널 − E ₀> 0 및 E _채널 − E ₀ <0, 물리적 관점에서 존재하지만 일반적으로 "양의"열 활성화 에너지로 지정됩니다. 우리의 경우 이것은 E _채널 E보다 4meV 낮음 ₀ 국부적인 캐리어가 더 높은 에너지를 가진 상태(또는 실제 공간의 사이트)로 열적으로 활성화됩니다. In_0.15가 있는 단일 InAs QD 레이어에 비해 감소합니다. Ga_0.85 변형을 줄이는 기본 레이어로 [10]. σ에 의해 할당된 잠재적 변동 깊이 이는 QD의 크기 분포 불균일성의 결과입니다. 잠재적 깊이는 19meV인 것으로 확인되었습니다. InAs/In_0.11의 스택 수를 늘리면 감소합니다. GA_0.89 As/GaAs 양자점. 결과적으로 Ilahi et al.에 의해 연구된 InAs/InGaAs/GaAs 양자점의 한 층에 비해 전위 깊이의 감소가 구조 효율을 증가시킨다는 것을 추론할 수 있습니다. 및 Helmi et al. [10, 36].

<그림>

수치적으로 결정된 온도 의존적 ​​열 재분배. 특성 온도(T _loc/deloc 그리고 T _{이스케이프} )는 현지화-비현지화 프로세스와 관련하여 표시됩니다.

<그림>

조사된 샘플의 Arrhenius 피팅. 정규화된 통합 강도(검은색 원 ) 세 가지 활성화 에너지(빨간색 실선 )

<그림>

국부적인 전자/정공(엑시톤) 상태의 QD 분포 개략도(WL 습윤층, CH 이동통신사 전송 채널)

결론

결론적으로, 우리는 QD에 InGaAs 층을 덮고 GaAs 스페이서 층을 삽입하여 InAs QD의 다중 스택으로 GaAs 기반 SC를 성공적으로 제작했습니다. 3 및 4.5eV에서 InAs/InGaAs/GaAs QD 이종구조의 유전 함수 스펙트럼에서 관찰된 두 가지 주요 스펙트럼 특징은 E ₁ 및 E ₂ GaAs 및 InAs의 CP 구조. GaAs 매트릭스에서 InAs QD의 PL 스펙트럼은 강렬하고 비대칭 모양을 나타냅니다. 이는 고품질의 다중 적층 InAs QD 구조의 성장을 나타냅니다. PL 스펙트럼에 대한 더 크고 상대적으로 작은 QD의 기여도 입증되었습니다. 발광 측정은 개발된 LSE 모델을 사용하여 성공적으로 모델링되고 재해석되었습니다. 이론적 연구는 관찰된 온도 의존 스펙트럼을 정량적으로 해석하고 피팅 매개변수를 기반으로 다중 적층 InAs/InGaAs/GaAs QD의 복잡한 자발적 방출 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이 연구는 InAs/GaAs QD 구조가 광전지 응용 분야에서 사용하기 위해 효율성을 향상시키는 방법을 제안합니다. 이러한 결과는 조사된 구조의 효율성을 개선하기 위해 변형 공학 QD에서 온도 의존적 ​​캐리어 역학에 대한 이해를 개선하는 데 도움이 됩니다. 이 작업에 더하여 우리는 방향의 영향과 다중 스택 구조의 InAs/GaAs QD 수의 증가가 국부화 깊이에 미치는 영향을 연구할 것입니다.

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