Aansturing van Optische Eigenschappen van InAs Kwantumpuntjes met InAlAs Tussenlagen in GaAsSb Spanning-verlagende Lagen

Samenvatting

In deze studie onderzoeken we hoe dunne In_0.15Al_0.85As tussenlagen de optische gedrag van InAs kwantumpuntjes (QDs) beïnvloeden die afgedekt zijn met een GaAs_0.85Sb_0.15 spanning-verlagende laag (SVL). Met behulp van hoge-resolutie röntgendiffractie (HRXRD) en 77 K fotoluminescentie (PL) spectroscopie, vergelijken we monsters met In_0.15Al_0.85As diktes van 20 Å, 40 Å en 60 Å met een referentie zonder tussenlaag. De type II emissie-kenmerk van GaAsSb-afgedekte InAs QDs wordt onderdrukt wanneer de tussenlaag aanwezig is. Een 20 Å laag induceert een 52 meV blauwverschuiving, terwijl 40–60 Å lagen een roodverschuiving produceren door versterkte spanning. De energiescheiding tussen grond- en eerste opgewekte toestanden groeit tot 106 meV voor een 60 Å tussenlaag, en de spectrale lijndikte vernauwt van 52 meV tot 35 meV.

Achtergrond

Zelf-geassembleerde InAs/GaAs kwantumpuntjes, gevormd door het Stranski-Krastanov-mechanisme, hebben uitgebreid onderzoeksinteresse getrokken voor hun afstelbare elektronische en optische eigenschappen, die een reeks opto-elektronische apparaten ondersteunen [1]. Tijdens afdekken evolueren QD-grootte en -vorm door intermenging, segregatie en spanning-verbeterde diffusie [2]. Een zuivere GaAs-afdekklaag beperkt emissie tot golflengtes onder 1300 nm; het toevoegen van spanning-verlagende lagen (SVLs) samengesteld uit (Ga, In)(As, Sb, N) verlengt emissie in de C-band [3–7]. GaAsSb, in het bijzonder, biedt een afstelbare banduitlijning: door de Sb-inhoud aan te passen kan het overgaan van type I naar type II, wat emissie boven 1,5 µm mogelijk maakt [8–10]. Echter, met GaAsSb SVLs blijft de fundamenteel-geopwekte toestandsscheiding doorgaans slechts 60–75 meV, wat thermisch geactiveerde dragerontsnapping toestaat [11]. Het introduceren van een dunne barrière tussen InAs QDs en GaAsSb kan de dragerinperking en levensduur verhogen, zoals gedemonstreerd door GaAs-tussenlagen die de zonnecel-efficiëntie met 23% verbeterden [12]. InAlAs-lagen zijn veelbelovend voor het ontwerpen van radiatieve recombinatie; ze kunnen de fundamenteel-geopwekte toestandsscheiding verhogen en intermenging onderdrukken, waardoor de apparaatprestaties verbeteren [13–17]. Eerder werk met InAlAs/InGaAs samengestelde SVLs bereikte scheidingen tot 104 meV [16, 18]. Dit artikel presenteert de eerste systematische studie van In_0.15Al_0.85As tussenlagen op InAs/GaAs_0.85Sb_0.15 QDs, gericht op emissiegolflengte, type recombinatie, lijndikte en toestandsscheiding.

Methodes

De monsters werden gegroeid op epi-klaar p-type GaAs (001) substraten in een Veeco Gen20A MBE-systeem. As₂ en Sb₂ dimeren werden geleverd via geklapte krakeleen. Na een GaAs-buffer bij 590 °C, werd het substraat gekoeld tot ~485 °C om 2,5 ML InAs QDs te groeien. Een 5 nm GaAs-laag afdekten de QDs voordat de temperatuur verhoogd werd tot 570 °C voor een 38-nm GaAs-barrière. De GaAsSb SVL-dikte was vastgezet op 60 Å (15 % Sb) terwijl de In_0.15Al_0.85As-laag varieerde van 0 tot 60 Å over vier monsters (A–D). De groeisnelheid voor alle lagen was 0,5 ML s^‑1. Banduitlijning werd gemodelleerd volgens Krijn [19] en parameters in [20], en geïllustreerd in Fig. 1.

Schematisch overzicht van de gegroeide structuren en corresponderende energiebanddiagram van InAs QDs afgedekt met een samengestelde In_0.15Al_0.85As/GaAs_0.85Sb_0.15. De In_0.15Al_0.85As-dikte t = 0 Å, 20 Å, 40 Å en 60 Å voor monsters A, B, C en D, respectievelijk.

Kristalkwaliteit werd beoordeeld door HRXRD op een Panalytical diffractometer. PL-metingen werden uitgevoerd bij 77 K met een 532-nm CW-laser en een Bruker Vertex 80 FT-IR-spectrometer uitgerust met een thermo-elektrisch gekoelde InGaAs-detector [21].

Resultaten en Discussie

HRXRD kantelcurven (Fig. 2a) onthullen duidelijke satellietpieken voor alle monsters, wat hoge kristalkwaliteit bevestigt. Simulaties leveren een gemiddelde Sb-inhoud van 13 % in het referentiemonster en In-inhouden van 13,5 % in de tussenlagen, wat overeenkomt met nominale waarden.

a Hoge-resolutie ω/2θ scans voor monsters A–D. b PL-spectrum van monster A bij 77 K, 100 mW. c Vermogen-afhankelijke PL van monster A. d Piekenergie vs. P_ex^1/3 voor de eerste twee overgangen.

Het referentiemonster (A) toont drie Gaussiaanse pieken bij 1004 meV, 1068 meV en 1113 meV, corresponderend met grond- en eerste opgewekte toestanden. De grondtoestand FWHM is 52 meV, terwijl de opgewekte toestand 58 meV is. Vermogen-afhankelijke metingen (Fig. 2c) onthullen dat de fundamentele overgangsenergie afneemt met afnemende excitatievermogen, kenmerkend voor een type II recombinatie (elektronen in QD, gaten in GaAsSb KW). De eerste opgewekte overgang gedraagt zich vergelijkbaar, wat elektronen-gaat-paren geïdentificeerd in de QDs aangeeft. De energiescheiding ΔE blijft ~64 meV over vermogens, wat een loodrechte elektrisch veld van ladingopbouw bevestigt.

Figuur 3a toont de bandprofielen van monster A en de gewijzigde profielen voor monsters B–D. De invoeging van In_0.15Al_0.85As wijzigt zowel inperking als spanning. Voor een 20 Å laag (monster B), verschuift de grondtoestandspiek naar 1056 meV (52 meV blauwverschuiving) en de FWHM vermindert tot 39 meV. De ΔE neemt toe tot 92 meV. Dikkere lagen (40–60 Å) produceren een roodverschuiving; monster D toont een grondtoestand bij 962 meV, FWHM van 35 meV, en ΔE van 106 meV. Deze veranderingen weerspiegelen de concurrentie tussen versterkte inperking (blauw) en spanning-geïnduceerde bandrandverschuivingen (rood).

PL-intensiteiten nemen toe voor B en C ten opzichte van A, maar dalen met een factor vijf voor D. De dikkere InAlAs-laag belemmert draagtunneling van GaAsSb naar de QDs, wat type I recombinatie binnen de QDs bevordert en type II emissie vermindert. De derde PL-piek, die verschijnt bij hogere energien, groeit met tussenlaagdikte, wat een overgang naar type II recombinatie bevestigt (electroon in GaAs, gat in GaAsSb). Dit gedrag is consistent met de onderdrukte overlap van elektronen- en gaat-golffuncties door de barrière.

Over het algemeen biedt de InAlAs-tussenlaag een veelzijdig hulpmiddel: een 20 Å laag levert een korte-levensduur, type I emitter met grote ΔE en smalle lijndikte; dikkere lagen maken langere-levensduur, type II emissie mogelijk geschikt voor toepassingen zoals kwantumpunt-lasers of fotodetectoren.

Conclusie

InAs QDs afgedekt met samengestelde In_0.15Al_0.85As/GaAs_0.85Sb_0.15 SVLs vertonen afstelbare optische eigenschappen gedreven door de InAlAs-tussenlaagdikte. De tussenlaag onderdrukt type II emissie, induceert een 52 meV blauwverschuiving bij 20 Å en een roodverschuiving voor ≥40 Å, en vergroot de grond-naar-eerste-geopwekte toestandsscheiding tot 106 meV (monster D). De spectrale lijndikte vernauwt van 52 meV tot 35 meV, wat verminderde intermenging en verbeterde grootteuniformiteit benadrukt. Deze bevindingen tonen aan dat strategische tussenlaag-ontwikkeling QD-emissie kan afstellen voor hoog-presterende opto-elektronische apparaten.

Afkortingen

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

HRXRD:

Hoge-resolutie röntgendiffractie

PL:

Fotoluminescentie

QDs:

Kwantumpuntjes

KW:

Kwantumput

SVLs:

Spanning-verlagende lagen