De optische eigenschappen van GaAsSb-capped InAs Quantum Dots wijzigen door middel van InAlAs-tussenlagen

Resultaten en discussie

De kristalkwaliteit van de gegroeide monsters werd gekarakteriseerd door HRXRD met behulp van rocking curve-scans door het diffractiepatroon van 004 atomaire vlakken op te nemen. Figuur 2a toont de verkregen diffractiepatronen voor monsters A, B, C en D die overeenkomen met een InAlAs-dikte van respectievelijk 0, 20, 40 en 60 Å. Duidelijke satellietpieken als gevolg van de InAs/InAlAs/GaAsSb worden waargenomen en tonen de goede kristalkwaliteit van de gekweekte monsters. De gesimuleerde röntgenschommelcurven zijn opgenomen in figuur 2a naast de experimentele gegevens. Het verkregen gemiddelde Sb-gehalte in het referentiemonster A is 13% en de dikte van GaAsSb is 66 Å. Deze waarden werden gebruikt in monsters B, C en D om het In-gehalte en de dikte van de InAlAs-tussenlaag te vinden. De simulatie toonde aan dat het gemiddelde In-gehalte 13,5% is en dat de dikte van de InAlAs-tussenlaag 22 Å, 44 Å en 65 Å is in respectievelijk monsters B, C en D, die dicht bij de nominale diktes liggen.

een Hoge resolutie ω /2θ scant voor monsters A, B, C en D. b PL-spectrum van monster A verkregen bij 77 K en 100 mW excitatie. c Vermogensafhankelijke PL van monster A bij 77 K. d De corresponderende energiepiek voor de eerste twee optische overgangen versus P_ex ^1/3 bij 77 K

De optische eigenschappen van het referentiemonster A werden eerst onderzocht bij 77 K met behulp van de vermogensafhankelijke PL-techniek. Figuur 2b toont het PL-spectrum voor een excitatievermogen van 100 mW. Het PL-spectrum kan worden aangepast door drie Gauss-pieken gecentreerd op 1004 meV, 1068 meV en 1113 meV, die kunnen worden geïdentificeerd als de fundamentele en opgewonden optische overgangen. De volledige breedte bij half maximum (FWHM) van de fundamentele en eerste aangeslagen toestanden zijn respectievelijk 52 en 58 meV. Om de oorsprong van de waargenomen eerste twee optische overgangen te begrijpen, werd het excitatievermogen gevarieerd van 1 tot 100 mW en werden de overeenkomstige PL-spectra verkregen zoals weergegeven in figuur 2c. Voor elk excitatievermogen werd de energie van de eerste twee pieken geëxtraheerd met behulp van multi-Gauss-functieaanpassing en uitgezet als een functie van de derdemachtswortel van het excitatievermogen zoals weergegeven in figuur 2d. De energie van de fundamentele overgang neemt af met het verminderen van het excitatievermogen in overeenstemming met een type II-overgang, wat aangeeft dat de emissie het resultaat is van de recombinatie van elektronen die zich in de fundamentele elektronentoestand in de QD bevinden (E0_QD ) en gaten in de GaAsSb QW (H0_QW ). Voor banduitlijning van InAs/GaAsSb type II induceert de lokalisatie van elektronen en gaten in respectievelijk de QD's en GaAsSb SRL een bandbuigend effect als gevolg van het elektrische veld, dat zich voornamelijk in de groeirichting bevindt [22]. De overgangsenergie van type II zal naar verwachting evenredig toenemen met de derde wortel van het excitatievermogen, zoals aangetoond door Jin et al. [22]. Evenzo neemt de energie van de eerste aangeslagen toestandsovergang af met het verminderen van het excitatievermogen, en deze overgang is hoogstwaarschijnlijk het resultaat van de recombinatie van elektronen in de eerste elektron-aangeslagen toestand in de QD (E1_QD ) en gaten in de GaAsSb QW (H0_QW ) omdat de toestandsdichtheid in de GaAsSb QW veel groter is dan de toestandsdichtheid in de QD's. De eerste twee optische overgangen zijn geïllustreerd in figuur 3a. We merken ook op dat de energiescheiding tussen de fundamentele en de eerste aangeslagen toestand ΔE bijna constant blijft op 64 meV met afnemend excitatievermogen, en dit is een bewijs dat het elektrische veld dat resulteert uit de ladingsopbouw loodrecht staat op de groeirichting [22], dat wil zeggen, de gaten in de GaAsSb zijn gelokaliseerd boven de QD's. In monster A wordt een type II-emissie verwacht omdat het Sb-gehalte in de GaAsSb, dat 13% is, dicht bij de samenstelling ligt waar een overgang van type I naar type II optreedt [23, 24]. Voor het beschouwde Sb-gehalte zou een kleine valentieband-offset tussen de QD's en de GaAsSb QW moeten bestaan ​​die de lokalisatie van gaten in de GaAsSb QW en vervolgens type II-emissies bevordert [25, 26].

Bandprofielen van voorbeeld A (a ) en monsters B, C en D (b ) met hun corresponderende recombinatiekanalen

Afbeelding 4a toont de PL-emissie die overeenkomt met de monsters met verschillende In_0,15 Al_0,85 Als dikte met excitatievermogen variërend van 1 tot 100 mW. Er kunnen drie hoofdpieken worden geïdentificeerd voor alle monsters met een In_0,15 Al_0,85 Als tussenlaag. We merken een wijziging op van de energiepiekposities van de verschillende stralingskanalen ten opzichte van het referentiemonster A. Bij een excitatievermogen van 100 mW werden de energie van de fundamentele overgang, FWHM, en de energiescheiding ΔE geëxtraheerd en vergeleken met monster A. De geëxtraheerde waarden worden weergegeven in Afb. 4b.

een Vermogensafhankelijke PL van de InAs/In_0.15 Al_0,85 As/GaAsSb QD's bij 77 K. b De corresponderende piekenergie, FWHM en ΔE versus InAlAs-dikte en c de variatie van de piekenergie van optische overgangskanalen als functie van de derdemachtswortel van het excitatievermogen voor monsters B, C en D

De overgang van de grondtoestand van monster A vindt plaats bij 1004 meV met een FWHM van 52 meV en een energiescheiding ΔE van 64 meV. 20 Å van In_0,15 . invoegen Al_0,85 As (monster B) induceert een blauwverschuiving van de overgang van de grondtoestand met 52 meV. De blauwverschuiving komt overeen met wat is waargenomen wanneer een samengestelde InAlAs/InGaAs werd gebruikt voor QD's die bij bijna dezelfde groeitemperatuur werden gekweekt [27]. De blauwverschuiving van de overgangsenergie in de grondtoestand van de InAs QD's in monster B is het gevolg van het verhoogde opsluitingspotentieel [15]. Naarmate de barrière voor elektronen en gaten wordt vergroot, zou de scheiding van elektronen en gaten op energieniveau moeten toenemen, wat leidt tot de waargenomen emissieblauwverschuiving. Het is algemeen bekend dat het afdekken van InAs met GaAs resulteert in een vermindering van de QD-hoogte als gevolg van In-segregatie en In-Ga-vermenging [28]. De introductie van Sb in de GaAs-afdeklaag vermindert de QD-decompositie door remming van de door spanning aangedreven In-Ga-vermenging [29]. Het inbrengen van de InAlAs-tussenlaag zal naar verwachting de In-segregatie en In-Ga-vermenging als gevolg van de inactiviteit van Al-adatoms verder onderdrukken. In feite, Jun et al. [17] hebben door middel van STEM aangetoond dat het gebruik van een InAlAs/InGaAs-combinatielaag als afdeklaag In-segregatie en vermenging van In-Ga langs de groeirichting tijdens het afdekproces van de InAs QD's sterk onderdrukt, wat leidt tot de verhoogde hoogte van de nanostructuren en een hogere In-concentratie in InAs QD's na capping. Gezien de lage groeitemperatuur van de QD's, d.w.z. 485 °C, wordt verwacht dat de indiumsegregatie en de vermenging van de interface tussen de QD's en de InAlAs-tussenlaag onbeduidend zijn als gevolg van de inactiviteit van Al-adatomen.

De FWHM en ΔE worden verlaagd en verhoogd tot respectievelijk 39 meV en 92 meV. De dikte van In_0,15 . verder vergroten Al_0,85 Wat betreft 40 Å en 60 Å (respectievelijk monsters C en D) veroorzaakt een roodverschuiving van de emissiegolflengte. Deze roodverschuiving wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de wijziging van de spanning in InAs QD's, aangezien de totale dikte van de samengestelde InAlAs/GaAsSb SRL toeneemt met toenemende InAlAs-dikte [30]. Dit kan de structurele afmetingen van de QD's veranderen en daarmee de energieniveaus van elektronen en gaten wijzigen. Het lijkt erop dat voor monsters C en D (respectievelijk 40 Å en 60 Å), het spanningseffect het opsluitingspotentieel-effect domineert. De laagste FWHM van 35 meV en de hoogste energiescheiding ΔE van 35 meV en 106 meV werden respectievelijk verkregen voor monster D. De grote ΔE wordt veroorzaakt door het gebruik van een dikkere InAlAs-laag en mogelijk een verhoogde QD-hoogte [31, 32]. De energiescheiding is vergelijkbaar met die verkregen wanneer een samengestelde InAlAs/InGaAs SRL wordt gebruikt (104 meV) [16, 33]. De verlaging van de FWHM kan worden begrepen in termen van een verlaging van de vermenging tussen In_0.15 Al_0,85 As en QD's en dus een behoud van de QD-distributie. De geëxtraheerde parameters zijn samengevat in Tabel 1.

De PL-intensiteit van monsters B en C was verhoogd in vergelijking met monster A; er werd echter een sterke vermindering van de PL-intensiteit waargenomen voor monster D, d.w.z. een vermindering met een factor 5 vergeleken met monster C. De verminderde PL-intensiteit is het gevolg van de vermindering van dragerinjectie van de GaAsSb-laag naar de QD's. Tijdens de belichting worden in feite talloze dragers gefotogenereerd en het inbrengen van de In_0.15 Al_0,85 Omdat tussenlaag een barrière vormt voor dragers en hun injectie in de QD's kan beperken. Dragers kunnen via een tunnelproces naar de QD's worden overgebracht en de PL-intensiteit is hoger voor de monsters met dunner In_0,15 Al_0,85 Als barrières [34]. Monster D vertoonde de laagste PL-intensiteit als tunneling door de 60 Å In_0.15 Al_0,85 Zoals sterk wordt verminderd, en dit wordt bewezen door de verhoogde PL-emissie van de GaAsSb QW zoals weergegeven in figuur 4a. De vermindering van het tunnelproces maakt de stralingsrecombinatie van elektronen en gaten in de GaAsSb QW gunstig en verbetert deze.

De belangrijkste waarneming van de vermogensafhankelijke PL bij 77 K voor monsters B, C en D getoond in Fig. 4a zijn de vaste energieposities van de eerste twee pieken met toenemend excitatievermogen in tegenstelling tot wat werd waargenomen in monster A. Dit is een kenmerk van een type I-emissie waarbij zowel elektronen als gaten binnen de QD's zijn gelokaliseerd. De eerste twee emissiepieken zijn het gevolg van de recombinatie van elektronen en gaten in de fundamentele en eerste aangeslagen toestanden in de QD's (E0_QD -H0_QD en E1_QD -H1_QD ). Wij zijn van mening dat de derde piek afkomstig is van een type II-emissie die het gevolg is van de recombinatie van elektronen in GaAs en gaten gelokaliseerd in GaAsSb QW. Inderdaad, de energie die overeenkomt met deze overgang neemt toe met toenemend excitatievermogen, zoals weergegeven in figuur 4a en figuur 4c, kenmerkend voor een type II-overgang. Bovendien zien we dat de intensiteit toeneemt met toenemende In_0.15 Al_0,85 Als laagdikte. Dit is in overeenstemming met de vermindering van de PL-intensiteit van de fundamentele overgang als een dikkere In_0.15 Al_0,85 Omdat laag de tunneling van dragers van GaAsSb naar de QD's vermindert en de type II-emissie bevordert die wordt verkregen door de recombinatie van elektronen en gaten in respectievelijk GaAs en GaAsSb. Een schema van de recombinatiekanalen voor monsters B, C en D is weergegeven in figuur 3b. De onderdrukking van de type II-emissie kan als volgt worden begrepen. Het invoegen van een 20-Å In_0.15 Al_0,85 Naarmate de laag de dragerscheiding tussen de QD's en GaAsSb QW vergroot, en als resultaat, neemt de overlap van de elektron- en gatgolffunctie af. Bovendien is het feit dat het Sb-gehalte in het GaAsSb-gehalte dicht bij de type I-type II-crossover ligt, de In_0.15 Al_0,85 Als tussenlaag zal het beperkte niveau in de QW worden gebracht (H0_QW ) onder het eerste gekwantiseerde niveau in de QD's (H0_QD ) zoals weergegeven in Fig. 3b en daarom kunnen gaten die in de QW zijn gevangen, door de InAlAs-laag tunnelen, waardoor de type II-emissie minder waarschijnlijk wordt. Voor een dikkere In_0,15 Al_0,85 Als tussenlaag (40 Å en 60 Å) wordt de tunneling verder verminderd, maar de overlap van de elektronen- en gatgolffunctie wordt aanzienlijk verminderd, wat de recombinatie van elektronen in GaAs met gaten in GaAsSb bevordert [13]. De optische overgang van InAs/GaAsSb QD's kan worden aangepast aan het type toepassing dat een korte of lange levensduur vereist. In onze studie hebben we een Sb-gehalte van 13% in GaAsSb overwogen, wat dicht bij de overgang van type I naar type II ligt. Het inbrengen van een InAlAs-tussenlaag onderdrukte de type II-emissie en verhoogde de energiescheiding tussen de fundamentele en eerste aangeslagen toestand, wat wenselijk is voor toepassingen die een korte levensduur van de drager vereisen. De huidige studie kan ook op maat worden gemaakt voor toepassingen die een lange levensduur van de drager vereisen. In feite wordt verwacht dat de combinatie van het gebruik van een hoger Sb-gehalte in de GaAsSb-laag en de insertie van een InAlAs-tussenlaag de type II-emissie voor dunne InAlAs-tussenlagen zal behouden, terwijl de levensduur van de drager aanzienlijk wordt verlengd. Tegelijkertijd zal de grotere energiescheiding tussen de fundamentele en de eerste aangeslagen toestand de thermische ontsnapping van de drager verminderen.