변성 InAs/InGaAs/GaAs 양자점 이종구조의 광전압에 대한 양극성 효과:광에 민감한 장치를 위한 특성화 및 설계 솔루션

결과 및 토론

A. 광전 특성화

두 InAs/In_0.15의 PV 스펙트럼 Ga_0.85 As 및 InAs/GaAs 샘플은 그림 2에 나와 있습니다. MBE 레이어에만 접촉, 두꺼운 n -InGaAs 또는 n -GaAs 버퍼, 스펙트럼의 기능은 다른 곳에서 설명되었습니다[45]. InAs/In_0.15의 스펙트럼 임계값 Ga_0.85 0.88eV에서와 같이 QD 앙상블의 기저 상태 흡수와 관련이 있으며, 이는 이전에 측정된 RT에서 PL 스펙트럼의 QD 대역 시작에 해당합니다[45](그림 2a). 변성 QD 방출 스펙트럼은 0.94eV에서 광대역을 나타내며 1.3μm(0.95eV)의 통신 범위에 있는 반면 QD PL은 이전 논문에서 언급된 바와 같이 우수한 효율성을 보여줍니다[30, 45, 46, 52]. PV 스펙트럼의 광대역은 1.24eV에서 정점을 이루고 에지가 1.11eV인 것은 In_0.15의 캐리어 생성으로 인한 것입니다. Ga_0.85 얕은 수준을 통과하는 길을 포함하는 MB 및 습윤층(WL)으로. In_0.15 Ga_0.85 MBE 성장 레이어에 대해 계산된 밴드갭은 1.225eV[53]이고 WL PL은 1.2eV[45]에서 관찰됩니다. 또한 1.36eV를 초과하는 급격한 감소는 Ref. [43]. 버퍼층은 GaAs의 밴드간 흡수를 적색편이시키는 MBE 성장 결함과 도핑 중심에서 비롯된 수많은 얕은 레벨과 밴드 불균일성으로 채워져 있습니다[33, 46, 54, 55]. 기존의 버퍼 접촉 InAs/GaAs 나노구조의 경우, 그림 2b의 PV 스펙트럼의 1.05eV에서의 시작은 PL 스펙트럼으로 확인된 바와 같이 QD 바닥 상태에서 비롯된 반면 1.3eV에서의 급격한 단계는 다음과 관련될 수 있습니다. WL [56]의 전환. 1.39eV 이후의 특징은 도핑된 GaAs 상부 버퍼층의 흡수와 분명히 관련이 있습니다. 이 효과의 메커니즘은 아래에서 자세히 설명합니다.

(Color online) a의 실온 PV 스펙트럼 변성 InAs/In_0.15 Ga_0.85 로 및 b InAs/GaAs 양자점 구조; PV는 MBE 층[45](검은색 곡선)에만 접촉하고 반절연 si를 통해 측정되었습니다. -GaAs 기판(파란색). si를 통해 측정된 PV 스펙트럼 -GaAs 기판은 a에 대해 각각 1.68 및 1.44eV 미만의 전압 부호로 반전됩니다. 그리고 b . 곡선의 저에너지 부분은 삽입된 부분에 나와 있습니다. 두 구조 모두에 대해 [45] 이전에 측정된 QD PL 밴드는 QD 바닥 상태 에너지 위치 지정(빨간색)에 대해 표시됩니다.

위에서 언급했듯이 InAs/In_0.15에서 1.36eV ​​이상의 PV 신호의 급격한 하락 Ga_0.85 구조가 n과 관련되기 때문에 ⁺ - 기판을 덮는 GaAs 바닥층. 광응답에 대한 바닥 AuGeNi 접촉 아래 층의 영향을 제거하기 위해 우리는 기판 후면에서 인듐 접촉을 사용하여 구조의 광전 특성을 연구했습니다. 단극 PV를 허용하는 이전의 Au 및 AuGeNi 접촉 형상과 달리 샘플 상단과 기판 후면에 접촉된 구조에서 양극 신호가 관찰되었습니다(그림 2). PV 기호는 광자 에너지 축을 따라 변경되며 그림 2에서 두 샘플의 스펙트럼은 InAs/In_{0.15 Ga0.85 As 및 InAs/GaAs QD 구조. 여기서 PV는 MBE 층에 접촉하는 경우와 같이 상부 Au 접촉에 양의 전위가 인가되고 하부 접촉에 음의 전위가 인가될 때 양의 전위로 간주됩니다.}

위에서 언급한 모든 광학 전이는 기판-상단 접촉 기하학 구조의 PV ​​신호에 기여합니다. 그러나 기판을 통해 PV를 측정할 때 변성 및 기존 구조에 대한 신호 시작은 약 0.72eV에서 발생합니다. 0.72eV에서의 시작은 si에 위치한 EL2 결함 센터로부터의 전환에 기인합니다. -GaAs 기판 및 GaAs 전도대 아래 0.75eV 부근의 관련 인터페이스[57], 얕은 수준의 결함을 통한 전이 가능성 고려[46, 54, 55]. 위치 및 EL2 PC 발병 적색편이와 관련된 측면은 다른 곳에서 자세히 논의되었습니다[10, 45]. InGaAs 또는 GaAs 버퍼에 접촉된 샘플의 스펙트럼에서 QD 관련 대역 아래의 신호가 관찰되지 않았기 때문에(그림 2), 기판 및 관련 인터페이스가 MBE 성장 이종 구조의 특성에 실질적인 영향을 미치지 않는다고 결론지었습니다. .

샘플에서 PV 신호의 모양을 이해하려면 성장 방향을 따라 계산된 밴드 프로필을 보여주는 그림 3을 살펴봐야 합니다. Au와 AuGeNi 접점 사이의 PV 출처에 대한 자세한 설명은 이전 논문[45]에 나와 있습니다. 요약하면, 광 여기된 전자(정공)는 주로 기판(표면)을 향해 드리프트하여 Au 접점에서 양의 전위를 제공하고 AuGeNi 접점에서 음의 전위를 제공합니다.

(온라인 색상) 변성 InAs/In_0.15에서 계산된 밴드 프로파일 Ga_0.85 PV 메커니즘을 설명하기 위해 As(up) 및 pseudomorphic InAs/GaAs(down) 구조. AuGeNi 접촉 아래 더 깊은 층의 밴드 굽힘은 회색으로 표시됩니다. PV 스펙트럼에서 관찰된 광학 전이는 수직 화살표로 표시됩니다. 굵은 화살표는 내부 필드(PV 생성) 아래에서 광학적으로 여기된 전하 캐리어의 드리프트 방향을 보여줍니다. 이 _F 페르미 에너지이다. 계산은 Tibercad 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다[50]

전기적으로 활성인 si 구조의 양극성 PV 설명 -GaAs 기판, 그림 3에서 계산된 밴드 구조를 고려할 수 있습니다. 이전과 마찬가지로 QD 및 WL뿐만 아니라 상부 레이어에서 생성된 캐리어는 상부에 "+", 기판에 "-"를 줄 수 있습니다. 반절연 기판의 페르미 준위는 n의 페르미 준위보다 훨씬 낮습니다. -도핑된 MBE 층. 따라서 밴드가 n ⁺ -GaAs/기판 계면은 MBE 성장 구조의 나머지 부분과 반대입니다(그림 3 참조). 따라서 n의 여기 ⁺ -GaAs 층 및 기판(1.36eV ​​이상)은 QD, WL 및 버퍼와 반대되는 PV 신호를 제공합니다. GaAs 기판의 EL2 결함(0.72eV 이상), 특히 n의 EL2 유사 결함으로 인한 여기에도 동일하게 적용됩니다. ⁺ -GaAs/GaAs 변형 영역 [46, 57]. 기질 및 n의 기여 ⁺ - 총 PV 신호에 대한 GaAs는 기본적으로 상위 MBE 층의 신호보다 강하고 PV의 음의 신호는 일반적으로 더 낮은 여기 에너지에서 관찰되는 반면 InGaAs 층 및 나노 구조의 영향은 그림 4에서 각 스펙트럼 곡선에 골로 나타납니다. 2. 이것은 MBE 버퍼에 접촉된 구조의 PV ​​곡선에 있는 QD, WL 및 버퍼 스펙트럼 밴드를 기판 상단에 접촉된 샘플의 스펙트럼에 있는 골과 비교함으로써 명확하게 알 수 있습니다. 그러나 더 높은 에너지의 경우 여기가 음의 신호의 주요 소스인 더 깊은 MBE 층 및 기판에 도달하지 않는 샘플 표면에 더 가깝게 흡수됩니다. 따라서 PV 신호는 더 큰 에너지에서 양수가 됩니다. 따라서 전기적 활성 si의 존재 - 기판은 상부 MBE 성장 층과 기판 관련 결함과 관련된 스펙트럼 구성요소 간의 경쟁으로 이어지며 n ⁺ -GaAs 흡수.

그렇지 않은 경우, p -도핑된 InAs/GaAs QD 및 InAs/InGaAs dot-in-well 구조는 si 기반 -GaAs 기판 [58]. PV 진폭의 급격한 하락은 우리의 경우와 달리 1.35eV 이하 및 이상에서 생성된 다양한 전하 캐리어에 의해 설명되었습니다. 그러나 참조 및 현재 구조의 급격한 차이와 적용된 방법의 세부 사항을 고려하여 자체 결과에 대한 해석을 따릅니다.

AuGeNi 접점 아래에서 밴드 벤딩의 개념을 기반으로 그림 2a에서 관찰된 1.36eV ​​이상의 버퍼 접점 변성 InAs/InGaAs 구조에서 PV 신호의 급격한 하락을 설명할 수 있습니다. 이 스펙트럼 특징은 기질과 가장 깊은 MBE n의 영향으로 인한 것입니다. ⁺ -GaAs 층. 실제로, 거기에서 생성된 전자는 고유 필드 아래에서 추가 전기장을 유발하는 AuGeNi 접촉으로 이동하며, 이에 따라 InGaAs/GaAs 이종 접합에서 밴드 굽힘으로 인한 장벽은 분명히 너무 낮아 전하 캐리어에 필수적인 장애물이 되지 않습니다. 이것은 PV에 직접적으로 기여하는 상부 레이어의 밴드 굽힘을 정렬하고, 따라서 n 이상에서 광여기된 캐리어의 공급을 감소시킵니다. ⁺ -GaAs 층 및 결과적으로 총 PV 신호.

MBE 버퍼에 접촉된 유사 샘플의 스펙트럼에서 1.39 eV 근처의 작은 특징이 관찰되지만 유사한 대역 굽힘을 고려하면 변성 구조에서와 같은 신호의 급격한 하락이 1.36 eV 이상으로 예상되어야 합니다. n 근처 ⁺ -GaAs/기판 인터페이스. 이러한 기능은 기질 및 n만의 속성이 아닙니다. ⁺ -도핑된 GaAs; 이러한 전이는 p를 기반으로 하는 In(Ga)As/GaAs QD 구조에서 감지되었습니다. -도핑된 [58] 및 도핑되지 않은 GaAs [10, 55]. 이러한 전이는 유사형 구조의 상위 GaAs 층에서도 분명히 발생하여 PV 신호에 대한 기판 근처 층의 부정적인 영향을 대부분 보상합니다. 결과적으로 유사한 양극성에도 불구하고 더 깊은 GaAs 층에서 비롯된 변성 곡선의 감소보다는 그림 2b의 InAs/GaAs 샘플에 대한 검은 곡선에서 기판 근처 층의 영향은 무시할 수 있습니다. PV 형성에 기질의 직접적인 참여로 관찰된 효과.

MBE 버퍼에 접촉된 InAs/GaAs 샘플의 스펙트럼에서 1.39 eV 이후의 작은 특징에 대한 이유는 변성 InAs/InGaAs 샘플에 대해 위에서 논의된 것과 다를 수 있습니다. 우리의 의견으로는 상위 MBE 성장 500nm 두께 GaAs 버퍼의 흡수 가장자리로 인해 신호가 약간 떨어지기 때문에 해당 광자 에너지에서 PV에 보다 효율적으로 기여하는 QD 및 WL이 음영 처리됩니다. 실제로, QD와 WL에서 생성된 전자와 정공은 재결합 가능성이 훨씬 높은 볼륨 생성과 달리 다른 면으로 운반되어 재결합을 방지합니다. 이것이 QD 및 WL의 ​​단일 레이어에서 오는 광 캐리어를 효과적으로 감지하는 주된 이유입니다. 더 높은 에너지의 광자는 표면 근처 n에서 대역 대 대역으로 흡수됩니다. -GaAs 버퍼층과 전자는 정공에서 샘플 부피로 빠져나가 PV가 1.4eV 이상으로 급격히 상승합니다. 버퍼 접촉된 InAs/GaAs 구조에서 1.36 eV 특징에 대한 제안된 이유의 정확성은 변성 구조에 대해 가정된 것이 아니라 n<에 하단 접점이 있는 InAs/GaAs 구조 기반 태양 전지 연구에 의해 확인됩니다. /나> ⁺ -GaAs 기판 [18, 24, 59], 즉, 접촉에서 접촉으로 전체 샘플을 통해 구부러지는 단조로운 밴드가 있습니다. 그들의 PV 스펙트럼은 기판에 대한 MBE-층 인터페이스와 관련된 장벽 없이 동일한 기능을 나타냅니다. 또한, 측면 접촉 기하학이 있고 고유 필드가 없는 InGaAs/GaAs 구조의 PC 스펙트럼에서 동일한 스펙트럼 범위에서 좁은 딥이 관찰되었습니다[10, 55].

1V 바이어스에서 얻은 구조의 PC 스펙트럼은 구조의 상부 레이어(상단의 "-" 및 하단 접점의 "+")에 있는 고유 필드처럼 지향되어 그림 4에 나와 있습니다. MBE 레이어와 접촉하는 구조는 그림 2의 PV 레이어와 매우 유사합니다. QD, WL, InGaAs 또는 GaAs 버퍼의 구성요소와 n ⁺ -GaAs 층은 동일한 에너지에서 관찰됩니다. si에 하단 접점이 있는 구조에 관하여 -GaAs 기판, PC 스펙트럼은 EL2 결함 중심 흡수와 관련된 0.72eV에 가까운 임계값을 갖습니다.

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(Color online) 변성 InAs/In_0.15의 실온 광전류 스펙트럼 Ga_0.85 그대로/시 -GaAs 및 기존 InAs/GaAs/si -GaAs 양자점 구조. 삽입:PC 측정을 위해 샘플을 연결하는 전기 방식

그림 4에 제시된 MBE 층에 접촉된 구조에 대한 PC 스펙트럼의 특징은 주로 위에서 고려한 그림 2의 PV 스펙트럼의 특징에 해당한다. si에 하단 접점이 있는 구조에 관하여 - EL2 중심 성분이 있는 GaAs 기판, 위에서 논의한 바와 같이 MBE 층의 흡수 신호와 EL2 관련 레벨 사이에 경쟁이 있습니다. 그러나 곡선의 모양을 통해 n 위의 층 내에서 여기된 전하 캐리어가 없다는 결론을 내릴 수 있습니다. ⁺ -GaAs는 PC에 참여합니다. 이것은 특히 변성 QD 구조 스펙트럼과 관련이 있습니다. 분명히 전자는 si에 의해 유도된 높은 전위 장벽(그림 3 참조) 때문에 바닥에 도달하지 않습니다. - 기판. 기판은 저항이 너무 커서 적용된 바이어스의 주요 드롭이 발생하므로 장벽 저하가 발생하지 않습니다.

따라서 PV 및 광전류는 기판 관련 n ⁺ -GaAs 층:1.36eV ​​이상의 흡수는 급격한 신호 감소를 일으킵니다. AuGeNi 접점 아래 장벽의 주요 원인은 si - 페르미 레벨의 위치가 다소 낮은 GaAs 기판으로 인해 밴드가 구조 상단의 밴드와 반대 방향으로 구부러집니다. 이것은 PV에서 관찰된 기판의 이러한 접촉 기하형상의 유일한 효과이며, 바닥 접점과 기판 사이의 다소 두꺼운(400nm) 중간 층에서도 나타납니다.

B. 기판-이종 구조 중간 레이어 설계 솔루션

실용적인 관점에서 이러한 InAs/InGaAs 구조의 설계는 si -GaAs 기판은 특히 상대적으로 얇은 n과 함께 수직 감광 소자 엔지니어링에 유용하지 않습니다. ⁺ -도핑된 버퍼, 접촉 구성이 기판을 통한 전류 흐름을 제거하는 경우에도. n에 형성된 공간 전하 영역 ⁺ -GaAs/기판 인터페이스 영역은 여기에서 여기된 전하 캐리어가 그림 5와 같이 변성 구조에서 여기된 것과 반대 방향으로 이동하도록 합니다. 따라서 반대 PV 신호를 생성하고 샘플의 총 양자 효율을 감소시킵니다.

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(온라인 색상) In_0.15 근처에서 계산된 밴드 프로파일 Ga_0.85 si에서 성장한 변성 구조의 As/GaAs 인터페이스 - n이 있는 기판 ⁺ - a의 GaAs 층 두께 100nm(현재 샘플), b 100nm 및 10nm 얇은 Ga_0.3 알_0.7 장벽 층으로, c 현재와 ​​같은 구조이지만 n ⁺ -100nm 두께의 n과 유사하게 도핑된 기판 ⁺ -위의 GaAs 층. 계산은 Tibercad 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다[50]

따라서 광흡수를 기반으로 하는 장치의 경우 다른 구조 설계를 고려해야 합니다. 우리는 많은 연구 그룹이 si - 새로운 p의 기초가 되는 GaAs 기판 -n -QD 적외선 광검출기[11,12,13]와 태양 전지[15]를 모두 입력합니다.

n의 단순 농축 ⁺ -변성 구조에서 GaAs 버퍼는 그다지 좋은 생각이 아닌 것 같습니다. 이러한 버퍼는 1.37eV 이상의 여기 양자를 흡수하고 그 아래의 계면과 기판에 그림자를 줄 수 있지만, 그 두께는 매우 높아야 합니다. 왜냐하면 위쪽의 800nm의 밴드갭이 더 좁은 InGaAs 물질은 부정적인 바이폴라 효과를 완전히 억제하기에 충분하지 않기 때문입니다. 또한 매우 두꺼운 <>n ⁺ -GaAs 버퍼는 주로 기판과 MBE 층에 대한 인터페이스 근처에 위치한 EL2와 같은 중심의 부정적인 영향을 배제할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 전하 캐리어가 제한된 평균 자유 경로를 가지므로 n ⁺ -GaAs 층은 위의 AuGeNi 접점에서 유도된 음장을 약화시킬 수 있습니다.

그림 5b와 같이 기판에서 나오는 전자에 대한 얇은 장벽 층을 성장시키면 더 나은 개선이 제공될 수 있습니다. 계산을 위해 도핑되지 않은 10nm 얇은 Ga_0.3 알_0.7 장벽 레이어로 선택되었습니다. 이러한 장벽은 기판에서 여기된 전자를 n ⁺ -GaAs 층. InAlAs, GaAlAs 및 AlAs와 같은 광대역 갭 재료에 의해 성장된 유사한 고저항 층이 광전자 소자의 활성 영역에서 전하 캐리어 누출을 피하기 위해 레이저 구조에 사용되었습니다[60]. 단, GaAs-In_0.15의 경우 Ga_0.85 기반 장치로서 Ga_0.3 알_0.7 넓은 밴드갭과 에피택셜 층 사이의 작은 격자 불일치로 인한 최상의 일치. AuGeNi 접촉에서 캐리어 유도 필드를 감소시키면 특히 n ⁺ -InGaAs 층 두께.

그러나 수직 구조의 더 최적의 설계는 n ⁺ Refs [14, 39, 40]에서 제안된 도핑된 GaAs 기판. 이 디자인은 가장 효율적이고 동시에 가장 간단합니다. 기판이 캡핑 n과 유사하게 도핑된 경우 ⁺ -layer 또는 더 무거운, 이것은 그림 5c에 묘사된 밴드 굽힘을 유발합니다. 또한, 이러한 기판의 본질적인 이점은 태양 전지 설계에서 나타날 수 있습니다. 저항이 낮은 기판은 샘플 바닥에 "-" 접점이 있는 구성을 사용할 수 있게 해주며[24, 38,39,40, 59], 햇빛으로부터 MBE 구조를 가리지 않습니다.