1.3–1.55μm 창에서 변성 InAs/InGaAs 양자점의 대역간 광전도도

결과 및 토론

연구된 변성 ​​InAs/In _{x의 PC 스펙트럼} Ga_{1 − x} 상온에서의 QD 구조는 QD 기저 상태 사이의 광학적 전이를 보여주는 PL 밴드와 함께 그림 3에 나와 있습니다. PL 밴드의 상대적 강도와 위치도 그림 4b에 나와 있습니다. QDs, InGaAs 한정 레이어 및 GaAs 하단 레이어로 인한 특징은 PC 곡선에서 관찰됩니다. PL 대역 시작 아래의 에너지에서 광전류 신호는 이전에 감지된 구조 결함과 관련될 수 있습니다[17].

온라인에서 색상을 지정합니다. 변성 InAs/In _{x의 PC 스펙트럼} Ga_{1 − x} x에 대해 실온 및 11V의 바이어스에서 구조로 =0.15(a ), 0.24(b ), 0.28(c ) 및 0.31(d ). 1.3eV에서 검정, 빨강, 파랑 곡선의 여기 강도는 88, 350, 1400μW/cm ² 에 해당합니다. , 각각. 임의 단위의 PL 스펙트럼은 QD 바닥 상태 전이의 에너지 위치 지정에 대해 제공됩니다. 수직 화살표는 InGaAs 밴드갭을 표시합니다(ε _g ) Paul et al.에 따라 계산됨. [48] ​​여기 강도에 대한 PC 의존성이 측정된 스펙트럼 위치(그림 5 참조)

온라인에서 색상을 지정합니다. 변성 InAs/In _{x에 대한 모델링 계산} Ga_{1 − x} QD 구조:a x가 다른 구조의 밴드 프로파일 성장 축을 따라; ㄴ 실제 QD PL 밴드 및 계산된 피크 위치(파선 수직선) 및 c InAs/In_0.15에 대한 제한된 전자 및 정공의 확률 밀도 Ga_0.85 QD로. 모델링된 구조의 모든 계산은 300K에 대해 수행되었습니다.

조사된 변성 InAs/In_0.15 Ga_0.85 QD 구조는 0.95eV(1.3μm)의 통신 범위에서 감광성인 것으로 나타났습니다(그림 3a). x로 증가하면 모든 샘플에서 적색 편이가 관찰되었습니다. x가 있는 구조 =0.31은 0.8eV(1.55μm) 근처(그림 3d), 즉 세 번째 통신 창에서 민감한 것으로 밝혀졌습니다[47]. 이 이동은 InAs QD와 In _{x 재료 간의 격자 불일치 감소와 관련이 있습니다.} Ga_{1 − x} x가 증가하는 버퍼로 따라서 QD의 변형률이 감소합니다. 이것은 InAs QD 밴드갭의 축소로 이어지며, 차례로 PL 밴드의 적색편이와 IR을 향한 광반응 개시[1,2,3,4,5,6, 19, 35]로 이어집니다.

동시에 QD 광전류 신호의 약간의 감소만 기록되어 In_0.15와 유사한 우수한 광반응도가 유지됨을 확인했습니다. Ga_0.75 샘플로. 최근에 논의한 바와 같이 [5], x가 있는 변성 QD 구조 =0.15는 유사형 InAs/GaAs QD 나노구조와 매우 유사한 광반응을 나타낸다. 또한 PC 감소는 그림 3에서 볼 수 있듯이 PL과 상관관계가 있습니다.

샘플에 대한 이러한 효과는 I –V 바이어스 전압에 대한 서로 다른 특성 스펙트럼 지점에서 어두운 곳과 조명 아래서의 종속성이 삽입된 광전류 종속성과 함께 표시됩니다. 그림 3과 같이 광전류값은 조명하의 전체 전류에서 암전류값을 뺀 광유도전류 부분만을 의미한다. 이러한 스펙트럼 점은 InGaAs MB에서 효과적인 대역 간 흡수가 발생하는 PL 대역 최대값 및 1.3eV입니다. 어둠의 나 –V 특성, 이러한 종속성은 실험 오차 내에서 선형과 유사합니다.

최고의 광응답은 제한층에서 최소 In 함량을 갖는 구조에서 측정되었습니다. 또한 암전류가 가장 낮았습니다. 적용된 여기 레벨에서의 광전류 값(350μW/cm ² ) InAs/In_0.15 Ga_0.85 구조는 MB가 펌핑될 때 암전류보다 2~3배 높았습니다. QD 여기에서의 광반응은 암전류와 비슷했습니다. 그러나 우리의 구조에는 하나의 QD 레이어만 있다는 점을 고려해야 합니다. 다층 QD 구조의 제작은 확실히 IR 광응답의 상당한 증가로 이어질 것입니다. x가 더 높은 기타 구조 더 낮은 광전류 신호가 나타났습니다. 두 스펙트럼 지점에서 감지된 크기는 적용된 전압의 넓은 범위에서 암전류 값보다 대략 한 차수 낮았습니다. InAs/In_0.31에서 가장 낮은 광반응이 발견되었습니다. Ga_0.69 최대 MB In 콘텐츠 구조로.

아마도 이 감광도 감소는 x의 MB 결함 밀도 증가와 관련이 있을 것입니다. , 이러한 나노구조의 구조적 분석과 잘 상관관계가 있는 심층 열 자극 전류 분광법[17]을 사용하여 이러한 구조에 대해 더 일찍 결정되었습니다[1]. InAs/In_0.15 Ga_0.85 QD 구조는 InGaAs/GaAs 구조에 필적하는 QD 층에 가까운 전체 결함 밀도를 가졌기 때문에 In 함량이 더 높은 다른 구조는 알려진 GaAs 관련 점 결함 복합체 EL2, EL6, EL7, EL9 및 QD 층 근처의 EL10 및 버퍼를 통해 전파되는 확장된 결함으로 인한 세 가지 레벨.

스펙트럼 모양(그림 3)과 관련하여 QD 여기 이상에서는 광 흡수 및 이에 따른 캐리어 생성이 주로 InGaAs 제한층 밴드갭 ε _g , 다른 x 값 경험적 공식에 의해 추정되었다[48]. 그러나 ε _{g 이상의 광자 에너지 증가는 주목할 만합니다.} 광반응이 약간 감소합니다. 당연히, 이는 변성 QD가 효과적인 재조합 센터임에도 불구하고[1, 2, 12, 22] MB보다 광전류에 더 효율적인 기여자임을 확인시켜 줍니다[5, 6, 23].

이 특성의 PC 메커니즘을 이해하려면 샘플의 성장 방향을 따라 계산된 QD 밴드 프로필을 보여주는 그림 4a를 살펴봐야 합니다. 계산은 전자와 정공에 대한 양자 에너지 준위의 결과로 검증됩니다. 예상 PL 방출 에너지는 실험적으로 측정된 PL QD 바닥 상태 전이와 일치합니다(그림 4b). 그림 4c에서는 Tibercad 모델화로 계산된 캐리어 파동 함수로 얻은 한정된 전자와 정공에 대한 시뮬레이션된 확률 밀도를 보여주며, 이는 전자에 비해 무거운 정공의 위치가 더 높음을 나타냅니다.

광전류 신호에 기여하기 위해 QD 대역간 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 열 방출에 의해 QD에서 탈출해야 합니다. 이전 연구[49]에서 변성 QD에서 전자와 무거운 정공이 상관 쌍으로 QD에서 동시에 탈출한다는 것이 확인되었습니다. 더욱이, 그러한 과정에 대한 활성화 에너지는 두 입자에 대한 활성화 에너지의 합에 해당한다는 것도 입증되었습니다[50].

변성 QD에서 PL 방출의 열 소광을 연구하는 동안 [10, 51], 우리는 그러한 활성화 에너지가 WL 레벨과 QD 상태로부터의 에너지 거리의 합과 같으며 x =0.15에서 x에 대해 150meV까지 =0.31. Ref. [51], 이러한 값은 제한된 캐리어의 열 방출을 통해 실온에서 PL 방출을 강력하게 소멸시킵니다.

이러한 기반에서 우리는 QD에서 여기된 캐리어가 열적으로 WL 및 MB로 탈출할 수 있다고 추론할 수 있습니다. 여기서 전자와 무거운 정공은 QD 부근에서 밴드 굽힘에 의해 분리되며(그림 4a), 이는 QD로 다시 트래핑되는 정공을 촉진합니다. 그리고 전자에 대한 장벽이 되면서 그들의 복사 재결합을 효과적으로 억제합니다. 결과적으로 무거운 정공은 QD 주변에 집중되는 반면(그림 4c), 전자는 전도도에 기여하는 WL 및 MB의 전위 우물을 따라 자유롭게 이동합니다. Ref. [49], 탈출 과정 동안 상관 관계가 있지만 캐리어는 실온에서 여기자로 간주 될 수 없다고 논의됩니다. 이제부터는 QD 부근에서 밴드가 구부러져 쉽게 분리될 수 있습니다.

그렇지 않으면 MB를 여기할 때 구속층에 비평형 정공이 생성되어 전자와 재결합합니다. 여기서 WL은 GaAs 기반 나노구조의 전도성 채널로 알려져 있으며 [52] 표면 접촉으로 설계된 측면 구조에는 이종 접합이 없으므로 캐리어가 표면 근처에서 효율적으로 수집된다는 점을 언급해야 합니다. /P>

그림 3에서 ε _{g 바로 위의 PC 신호의 하강} 더 높은 에너지에서 상승으로 바뀌었습니다(예:x가 있는 샘플의 경우 1.3 또는 1.1 eV 이상). 각각 0.15 또는 0.31입니다. 이것은 표면과 QD 층에 더 가까운 광 흡수로 인해 발생했을 수 있으며 따라서 더 얕은 트랩이 포함됩니다. 열 자극 전류 분광법과 심층 과도 분광법[17, 18]에 의해 이러한 구조에 대해 확립된 바와 같이, 더 깊은 전자 트랩은 주로 InGaAs MB 층에 위치하는 반면 얕은 전자 트랩은 표면 근처에 집중되어 있습니다(이러한 샘플과 관련하여, QD 레이어 근처). 더 얕은 트랩에 갇힌 전자는 실온에서 전도대로 다시 쉽게 빠져나갈 수 있습니다. 따라서 QD 층 근처의 자유 전자는 MB에서 더 깊게 여기된 것보다 이동성이 높으므로 전하 이동에 더 큰 기여를 합니다. 또한, 표면 근처에서 생성되는 전자는 WL 전도도 채널로 자유롭게 이동할 수 있습니다.

GaAs 밴드갭(1.4eV 근처) 이상으로 증가하면 유사한 광전류 강하가 관찰되었습니다. 이 효과는 InGaAs/GaAs 계면에 가까운 캐리어 생성으로 인한 것일 수 있으며, 트랩 및 재조합 중심인 더 높은 밀도의 결함 상태를 갖는 것으로 알려져 있습니다.

구조 광반응에 대한 다양한 광학 전이의 상대적 기여도는 펌핑 강도에 따라 다릅니다. 이것은 그림 5에서 더 잘 관찰되며, 다양한 특성 스펙트럼 포인트에서 여기 강도의 함수로 광전류 값을 보여줍니다:PL 밴드의 시작(QD 앙상블의 공진 여기) 또는 InGaAs의 효율적인 밴드 대 밴드 흡수 (1.3 eV) 및 GaAs(1.5 eV).

<그림>

온라인에서 색상을 지정합니다. InAs/In _{x에 대한 광전류 대 여기 강도} Ga_{1 − x} a가 있는 구조로 x =0.15 및 b 0.31. 라인은 f 함수에 의한 피팅입니다. (x ) ~ x ^α

제한층에서 In 함량이 다른 구조는 동일한 스펙트럼 범위에서 유사한 종속성을 보여주었습니다. 따라서 GaAs(1.5eV)의 대역 간 여기는 대부분의 강도 값에서 2차 종속성을 보여줍니다. 이것은 비평형 전하 캐리어의 대역 대 대역 재결합에 대해 일반적입니다. 예를 들어 평형 캐리어가 평형 캐리어 아래에서 매우 우세할 때 [53]:이것은 도핑되지 않은 구조에서 예상할 수 있습니다. QD 및 InGaAs 한정 레이어에서 여기의 경우 종속성은 서로 매우 유사하지만 GaAs의 종속성은 다릅니다. 그들은 낮은 여기 강도에서 선형이고 높은 강도에서 아선형이 됩니다. 이 동작은 분명히 Shockley-Read 센터와 관련된 캐리어 재조합을 지적합니다. 일부 센터가 더 높은 캐리어 생성 속도에서 포화되기 때문에 선형 종속성은 하위 선형 종속이 됩니다[54]. 강도 의존적 ​​측정의 이러한 결과는 QD 임베딩 층에서 비교적 낮은 재결합 속도로 주요 전하 캐리어의 효율적인 생성과 GaAs 층에서 훨씬 더 높은 밀도의 재결합 중심을 분명히 나타냅니다. 예를 들어, 유사한 특성화에서 QD 여기 동안 InGaAs/GaAs QD 감광성 구조는 PC (나 ) ~ 나 ^0.25 , QD 복사 재결합과 함께 결함 수준을 통한 높은 비방사성 재결합 비율로 인해 발생 [40, 55]. 그러나 InGaAs/GaAs 구조가 7개의 QD 레이어를 갖는 다층 구조라는 점은 주목할 가치가 있습니다.

이러한 측정 및 해석에서 IR 감지를 위한 변성 QD 사용에 대한 몇 가지 표시가 강조 표시될 수 있습니다. (i) x를 사용할 때> 0.15, 변형 관련 결함을 제어할 수 있는 고급 설계를 사용해야 하며, 이는 변성 QD의 개발에 대해 수행된 것과 유사합니다[19, 20, 37]. (ii) 암전류 이상의 QD PC를 얻으려면 QD의 다층 스택(최소 10개 레이어 포함)이 필요합니다[27, 56]. (iii) 무거운 정공의 더 높은 가둠은 QD를 여기할 때 얻어지는 광전류에 유익하기 때문에 중공에 대한 더 높은 갭 장벽을 가진 고급 설계가 고려될 수 있습니다[51, 57]. 따라서 이러한 발견은 IR 검출을 목표로 하는 변성 QD의 설계 및 변성 QD 광검출기의 개발에 매우 ​​유용할 수 있습니다.

결론

변성 InAs/In _{x의 광전 특성} Ga_{1 − x} PC 및 PL 분광법, 전기 측정 및 이론적 모델 시뮬레이션을 사용하여 QD 나노구조를 실온에서 연구했습니다. 연구된 변성 ​​InAs/In _x Ga_{1 − x} QD 나노구조가 통신 창에서 1.3(x =0.15) 및 1.55μm(x =0.31). 그러나 MB 단위의 In 함량이 더 높은 구조의 QD PC 및 PL 효율은 더 낮은 것으로 추정되었지만 그럼에도 불구하고 InAs/In_0.15 Ga_0.85 InGaAs/GaAs QD 구조와 유사한 감도를 갖는 구조로. 이 감광도 감소는 x의 MB 결함 밀도 증가와 관련이 있습니다. . 또한 모델링 계산 덕분에 조사된 유형의 QD 구조에서 PC 메커니즘에 대한 통찰력을 제공했습니다. 이 모든 것은 높은 x 나노구조의 설계를 최적화하여 일부 문제를 해결한다면 광전자 IR 감광 장치에 유효한 구조입니다.

약어

ε _g :

InGaAs 제한층의 밴드갭

E _ㄷ 및 E _v :

전도도 및 가전자대의 에너지

IR:

적외선

MB:

변성 버퍼

ML:

단층

PC:

광전도성

PL:

광발광

QD:

양자점

R _L :

부하 저항

WL:

습윤층

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