Efek Bipolar dalam Fotovoltase Metamorfik InAs/InGaAs/GaAs Quantum Dot Heterostruktur:Karakterisasi dan Solusi Desain untuk Perangkat Sensitif Cahaya
Abstrak
Efek bipolar substrat GaAs dan lapisan terdekat pada fotovoltase vertikal metamorf InAs/InGaAs dibandingkan dengan pseudomorfik (konvensional) InAs/GaAs struktur quantum dot (QD) dipelajari. Baik struktur metamorf maupun pseudomorfik ditumbuhkan dengan epitaksi berkas molekul, menggunakan kontak bawah pada n yang ditumbuhkan.
+
-buffer atau substrat GaAs. Fitur yang terkait dengan QD, lapisan pembasahan, dan buffer telah diidentifikasi dalam spektrum fotolistrik dari kedua struktur yang dihubungi buffer, sedangkan spektrum sampel yang dihubungi substrat menunjukkan onset tambahan yang dikaitkan dengan pusat cacat EL2. Sampel yang dihubungi substrat menunjukkan fotovoltase bipolar; ini disarankan untuk terjadi sebagai akibat dari persaingan antara komponen yang terkait dengan QD dan lapisan kelongsongnya dengan cacat terkait substrat dan lapisan yang tumbuh paling dalam. Tidak ada efek substrat langsung yang ditemukan dalam spektrum struktur yang dihubungi buffer. Namun, pengaruh negatif penting dari n
+
Lapisan penyangga -GaAs pada sinyal fotovoltase dan fotokonduktivitas diamati dalam struktur InAs/InGaAs. Menganalisis hasil yang diperoleh dan perhitungan yang dilakukan, kami telah dapat memberikan wawasan tentang desain struktur QD metamorf, yang dapat berguna untuk pengembangan perangkat fotonik baru yang efisien.
Latar Belakang
Dalam dua dekade terakhir, material komposit yang mengandung struktur nano semikonduktor telah banyak digunakan dalam aplikasi fotonik karena sensitivitas cahaya, kemudahan dan biaya fabrikasi yang rendah, tunability spektral, dan emisi yang sangat efisien dengan masa pakai yang singkat [1,2,3,4,5 ]. In(Ga)As quantum dot (QD) heterostruktur adalah kelas penting dari struktur nano sensitif inframerah, yang telah banyak digunakan di berbagai perangkat fotonik, seperti laser [2, 6], sumber foton tunggal [7, 8], fotodetektor [9,10,11,12,13], dan sel surya [14,15,16]. Banyak penyelidikan telah dikhususkan untuk meningkatkan sifat fotolistrik perangkat peka cahaya tersebut. Misalnya, rentang fotosensitifitas dapat diperpanjang melalui eksitasi melalui celah pita menengah [17, 18] atau pembangkitan eksiton ganda [19, 20], sehingga efisiensi konversi daya sel surya berbasis QD secara teori dapat melebihi batas sel surya celah pita [21]. Metode seperti penyeimbangan regangan [22] dan teknik manajemen ketidakcocokan [23] serta anil termal [24] digunakan untuk mengurangi regangan pada struktur ini, mengoperasikan rentang kerja [25] serta meningkatkan respons foto karena penekanan cacat terkait regangan [26] yang dapat bertindak sebagai pusat rekombinasi.
Metode yang efisien untuk pengurangan regangan didasarkan pada pertumbuhan penyangga metamorf (MB) InGaAs daripada yang konvensional GaAs. Akibatnya, struktur QD InAs/InGaAs telah menarik banyak minat dalam dekade terakhir [27,28,29]. Dengan menumbuhkan QD pada MB InGaAs, seseorang dapat mengamati perbedaan penting dalam proses pembentukan dan sifat optik QD dibandingkan dengan yang konvensional dalam matriks GaAs [25, 30,31,32,33]. Misalnya, lapisan pembatas InGaAs mengurangi ketidakcocokan kisi antara QD dan buffer dan, karenanya, regangan di QD. Akibatnya, celah pita InAs berkurang dan peningkatan yang signifikan dalam panjang gelombang emisi diamati [34]. Penerapan MB sebagai bahan pembatas memungkinkan untuk menggeser nilainya ke jendela telekomunikasi pada 1,3 dan 1,55 μm [28, 29, 35, 36].
Selain itu, ada upaya yang diharapkan untuk menerapkan sifat fotolistrik dari struktur InAs QD metamorf pada desain perangkat peka cahaya seperti fotodetektor inframerah metamorf [11,12,13] dan sel surya [37,38,39]. Beberapa penelitian dilakukan untuk mengembangkan desain struktur [25, 31,32,33] dan yang lainnya untuk meningkatkan sifat fotolistrik [39, 40]. Investigasi sedang berlangsung untuk mengurangi ketegangan dalam heterostruktur [34, 41], karena ini mengarah pada peningkatan substansial dalam kerapatan arus foto dan respons spektral sel surya [39, 40] serta efisiensi fotoemisi dari struktur tersebut [ 29, 32, 42].
Pengembangan perangkat peka cahaya membutuhkan studi mendalam tentang sifat fotolistrik. Fotovoltase (PV) atau fotokonduktivitas (PC) studi adalah alat yang ideal untuk penentuan fotorespons sebagai fungsi energi cahaya, transisi antara tingkat, transportasi pembawa, dan jangkauan operasi perangkat [10, 43, 44]. Namun, meskipun beberapa penelitian tentang sifat fotolistrik struktur dengan metamorfik InAs QDs telah dilakukan dalam beberapa tahun terakhir [37,38,39, 43], aspek penuh dari mekanisme respons foto masih tetap tidak jelas, seiring dengan pengaruh MB pada sifat-sifat struktur nano. Secara khusus, efek substrat GaAs dan antarmuka terkait pada spektrum fotolistrik struktur QD InAs / InGaAs / GaAs belum dieksplorasi secara rinci. Meskipun upaya signifikan dikhususkan untuk menghindari pengaruh substrat, fotorespons dipengaruhi oleh substrat dan lapisan terdekat yang ditumbuhkan oleh epitaksi berkas molekul (MBE). Jadi, sementara geometri kontak yang diterapkan adalah untuk mempertahankan lapisan bawah dan substrat secara elektrik tidak aktif, efek negatif penting dari mereka pada PV dan arus foto telah terdeteksi oleh kami dalam penyelidikan sebelumnya [43]. Baru-baru ini, kami membandingkan sifat fotolistrik dari metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai struktur QD dengan struktur QD InAs/GaAs standar dan menemukan bahwa arus foto metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai heterostruktur tidak terpengaruh oleh tingkat yang berhubungan dengan cacat di sekitar QD [45]. Selain itu, telah disimpulkan bahwa perangkat fotonik yang efisien pada 1,3 μm dapat dikembangkan dengan struktur nano serupa sebagai bahan aktif.
Dalam karya ini, kami melanjutkan studi tentang sifat fotolistrik dari heterostruktur dengan InAs QD yang tertanam baik dalam metamorf In0,15 Ga0,85 Sebagai atau buffer GaAs konvensional, dengan fokus pada efek substrat GaAs dan lapisan MBE di dekatnya. Untuk mencapai pemahaman yang jelas tentang peran lapisan substrat dan penyangga, kami mempertimbangkan struktur dengan kontak bawah pada (i) In0,15 Ga0,85 Sebagai lapisan penyangga atau (ii) substrat GaAs bagian bawah (lihat Gbr. 1). Jadi, tergantung pada pemilihan kontak bawah, arus mengalir melalui (i) hanya QD dan lapisan penyangga dan (ii) struktur lengkap termasuk substrat dan antarmukanya dengan lapisan MBE. Analisis hasil dan perhitungan memungkinkan kami memberikan wawasan tentang desain terbaik untuk sensor cahaya pada struktur QD metamorf.
(Warna online) skema metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai/si -GaAs (kanan) dan InAs/GaAs/si -GaAs (kiri) sampel QD diselidiki; Gambar AFM dari struktur yang tidak tertutup ditampilkan
Metode
Struktur disiapkan oleh MBE pada (001) semi-insulasi (si ) substrat GaAs. Substrat adalah n -type, dengan nilai 3 × 10
7
cm
−3
konsentrasi pembawa residu, ketebalan 500 μm, dan resistivitas 2 × 10
7
× cm. Struktur QD InAs/InGaAs metamorf terdiri dari (i) 100-nm n+
-Lapisan penyangga GaAs tumbuh pada 600 °C, (ii) tebal 300 nm n+
-Dalam0,15 Ga0,85 Sebagai MB dengan n = 5 × 10
18
cm
−3
tumbuh pada 490 °C, (iii) tebal 500 nm n -Dalam0,15 Ga0,85 Sebagai MB dengan n = 3 × 10
16
cm
−3
tumbuh pada 490 °C, (iv) 3.0 monolayers (MLs) dari QD InAs rakitan yang disematkan dalam In0,15 20 nm yang tidak didoping Ga0,85 Saat lapisan tumbuh pada 460 °C, (v) 300-nm n -Dalam0,15 Ga0,85 Sebagai lapisan penutup atas dengan n = 3 × 10
16
cm
−3
tumbuh pada 490 °C, dan (vi) 13-nm p
+
-doped Dalam0,15 Ga0,85 Sebagai topi dengan p = 2 × 10
18
cm
−3
tumbuh pada 490 °C (Gbr. 1). Laju pertumbuhan adalah 1,0 ML/dtk, kecuali untuk QD yang ditumbuhkan dengan laju pertumbuhan 0,15 ML/dtk. Lapisan yang tidak didoping diperlukan untuk memisahkan QD dari n -doped daerah dan, karenanya, untuk mengurangi pengaruh pusat rekombinasi non-radiatif, sehingga memaksimalkan efisiensi emisi cahaya QD [30, 46]. Struktur QD InAs/GaAs standar terdiri dari (i) 300-nm n+
-Lapisan penyangga GaAs dengan n = 5 × 10
18
cm
−3
tumbuh pada 600 °C, (ii) tebal 500 nm n -GaAs MB dengan n = 3 × 10
16
cm
−3
ditumbuhkan pada 600 °C, (iii) 3,0 ML InAs QD yang disematkan dalam lapisan GaAs 20 nm yang tidak didoping yang ditumbuhkan pada 460 °C, dan (iv) 500 nm n -GaAs lapisan penutup atas dengan n = 3 × 10
16
cm
−3
tumbuh pada 600 °C. Tingkat pertumbuhannya adalah 1,0 ML/dtk, kecuali untuk QD yang ditumbuhkan dengan tingkat pertumbuhan 0,15 ML/dtk.
Gambar mikroskop gaya atom (AFM) dari struktur yang tidak tertutup ditunjukkan pada Gambar. 1. Dengan analisis data AFM pada struktur serupa, nilai ukuran QD yang paling sering diperkirakan adalah 20 nm (diameter) dan 4,9 nm (tinggi) untuk metamorf QD dan 21 nm (diameter) dan 5.0 nm (tinggi) untuk QD standar [30, 31, 45].
Untuk pengukuran fotolistrik, mesa melingkar setebal 500 m diukir pada struktur hingga penyangga bawah n
+
lapisan; Kontak atas penyearah Au dengan diameter 400 μm dan ketebalan 70 nm kemudian diuapkan di bagian atas mesas. Untuk mendapatkan kontak ohmik di bagian bawah n
+
-InGaAs dan n
+
-Lapisan penyangga GaAs, masing-masing, Au0.83 Ge0,12 Ni0,05 paduan diendapkan pada 400 °C selama 1 menit dalam atmosfer nitrogen. Kontak ohmik indium tebal dibuat di bagian bawah substrat di bagian lain dari sampel yang sama, untuk mendapatkan pengukuran juga dengan arus yang mengalir melalui buffer GaAs dan si -GaAs substrat. Ohmisitas kontak telah diverifikasi oleh I -V pengukuran, menghubungi sepotong substrat; karakteristik tegangan arus ditemukan linier (data tidak ditampilkan).
Mengikuti pendekatan yang diusulkan dalam Ref. [47] dan digunakan dalam karya lain [48, 49], p . yang tipis
+
-InGaAs lapisan antara kontak Au dan n -Lapisan InGaAs digunakan untuk meningkatkan ketinggian penghalang Schottky, karena strukturnya diperoleh dengan pengendapan logam sederhana pada n -InGaAs menunjukkan ketinggian penghalang Schottky yang relatif rendah. Oleh karena itu, pengendapan tipis p
+
-Lapisan InGaAs memperbesar ketinggian penghalang Schottky agar serupa dengan kontak Au-GaAs, mempertahankan kemiripan profil penghalang untuk struktur metamorf dan InAs/GaAs.
Untuk desain struktur dan kontak serta pemahaman tentang profil energi untuk kedua struktur yang disusun oleh In0,15 Ga0,85 As atau GaAs MBs, In(Ga)As QDs, undoped cap layer, dan kontak Au/AuGeNi, perhitungan dilakukan dengan menggunakan software Tibercad [50]. Profil pita dimodelkan dalam pendekatan difusi drift, dengan mempertimbangkan kondisi regangan, kepadatan perangkap yang terkait dengan cacat pada wilayah antarmuka InGaAs / GaAs, lapisan penipisan di dekat kontak, dan ketinggian penghalang Schottky yang sesuai. Untuk perhitungan profil pita QD metamorf, ukuran dari data AFM dipertimbangkan dan efek regangan dimasukkan, mengikuti pendekatan yang sudah divalidasi dalam Referensi. [42, 51]. Perhitungan level kuantum QD berada di luar cakupan makalah ini, dan pemodelan QD telah dilakukan sebelumnya di Ref. [45]. Namun, dalam karya ini, kami menghitung profil pita dari seluruh heterostruktur termasuk substrat.
Arus foto vertikal dan spektrum PV diukur dalam rentang 0,6 hingga 1,8 eV menggunakan geometri eksitasi kejadian normal pada suhu kamar (RT) (300 K) dan intensitas sumber cahaya yang sama (1,5 mW/cm
2
). Arus foto diukur menggunakan penguat arus dan teknik arus searah [10, 43,44,45], dengan bias 1 V. Arus diukur sebagai penurunan sinyal tegangan pada resistansi beban seri 100 kΩ (lihat inset pada Gambar. 5). Photoluminescence (PL) tereksitasi pada 532 nm diukur pada 300 K. Beberapa informasi mengenai struktur dan metode dijelaskan secara lebih rinci dalam Ref. [45].
Hasil dan Diskusi
A. Karakterisasi Fotolistrik
Spektrum PV dari kedua InAs/In0,15 Ga0,85 Sampel As dan InAs/GaAs disajikan pada Gambar. 2. Dihubungi hanya ke lapisan MBE, tebal n -InGaAs, atau n -GaAs buffer, fitur spektrum telah dijelaskan di tempat lain [45]. Ambang batas spektrum InAs/In0,15 Ga0,85 Seperti pada 0,88 eV terkait dengan penyerapan keadaan dasar dalam ansambel QD, yang sesuai dengan permulaan pita QD dalam spektrum PL pada RT yang diukur sebelumnya [45] (Gbr. 2a). Spektrum emisi QD metamorf menunjukkan pita lebar pada 0,94 eV yang berada dalam kisaran telekomunikasi pada 1,3 μm (0,95 eV), sedangkan QD PL menunjukkan efisiensi yang baik, seperti yang telah dicatat dalam makalah sebelumnya [30, 45, 46, 52]. Pita lebar spektrum PV mencapai puncaknya pada 1,24 eV dan dengan tepi pada 1,11 eV disebabkan oleh pembangkitan pembawa di In0,15 Ga0,85 Seperti MB dan lapisan pembasah (WL) termasuk jalan melalui tingkatan dangkal. Harus ditambahkan bahwa In0.15 Ga0,85 Karena celah pita yang dihitung untuk lapisan yang ditumbuhkan MBE adalah 1,225 eV [53], dan WL PL diamati pada 1,2 eV [45]. Selanjutnya, penurunan tajam yang signifikan di atas 1,36 eV diamati kemungkinan disebabkan oleh efek tidak langsung dari lapisan buffer GaAs yang didoping berat yang terletak di luar wilayah interkontak yang telah disebutkan dalam Ref. [43]. Lapisan buffer diisi oleh banyak level dangkal dan ketidakseragaman pita yang berasal dari cacat pertumbuhan MBE dan pusat doping yang menggeser penyerapan interband GaAs [33, 46, 54, 55]. Untuk struktur nano InAs/GaAs yang dikontak dengan buffer konvensional, onset pada 1,05 eV spektrum PV pada Gambar. 2b berasal dari keadaan dasar QD, sebagaimana dikonfirmasi oleh spektrum PL, sedangkan langkah tajam pada 1,3 eV dapat dikaitkan dengan transisi di WL [56]. Fitur setelah 1,39 eV jelas terkait dengan penyerapan lapisan buffer atas GaAs yang didoping. Mekanisme untuk efek ini akan dibahas secara rinci di bawah ini.
(Warna online) spektrum PV suhu kamar a metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai dan b struktur QD InAs/GaAs; PV diukur dihubungi hanya ke lapisan MBE [45] (kurva hitam) dan melalui semi-insulasi si -GaAs substrat (biru). Spektrum PV diukur melalui si -Substrat GaAs dibalik dengan tanda tegangan di bawah 1,68 dan 1,44 eV masing-masing untuk a dan b . Bagian kurva berenergi rendah diberikan di sisipan; pita QD PL diukur sebelum [45] untuk kedua struktur disajikan untuk posisi energi keadaan dasar QD (merah)
Seperti disebutkan di atas, penurunan tajam sinyal PV di atas 1,36 eV di InAs/In0,15 Ga0,85 Karena struktur terkait dengan n
+
-GaAs lapisan bawah capping substrat. Untuk menghapus efek lapisan di bawah kontak AuGeNi bawah pada respons foto, kami telah mempelajari sifat fotolistrik struktur menggunakan kontak indium di bagian belakang substrat. Tidak seperti geometri kontak Au dan AuGeNi sebelumnya yang memungkinkan PV unipolar, sinyal bipolar telah diamati untuk struktur yang dikontakkan ke bagian atas sampel dan bagian belakang substrat (Gbr. 2). Perlu dicatat bahwa tanda PV berubah sepanjang sumbu energi foton, dan pada Gambar 2, spektrum kedua sampel dibalik dengan tanda tegangan di bawah 1,68 dan 1,44 eV untuk InAs/In0,15 Ga0,85 Struktur QD As dan InAs/GaAs masing-masing. Di sini, PV dianggap positif ketika, seperti dalam kasus kontak ke lapisan MBE, potensi positif diterapkan ke kontak Au atas sedangkan yang negatif diterapkan ke kontak bawah.
Semua transisi optik yang disebutkan di atas berkontribusi pada sinyal PV dari struktur dalam geometri kontak atas substrat. Namun, ketika mengukur PV melalui substrat, permulaan sinyal untuk struktur metamorf dan konvensional terjadi pada sekitar 0,72 eV. Onset pada 0,72 eV dikaitkan dengan transisi dari pusat cacat EL2 yang terletak di si Substrat -GaAs dan antarmuka terkait di dekat 0,75 eV di bawah pita konduksi GaAs [57], dengan mempertimbangkan kemungkinan transisi melalui tingkat cacat yang dangkal [46, 54, 55]. Aspek yang terkait dengan lokasi mereka serta pergeseran merah onset EL2 PC telah dibahas secara rinci di tempat lain [10, 45]. Karena tidak ada sinyal di bawah pita terkait QD yang diamati dalam spektrum sampel yang dihubungi ke buffer InGaAs atau GaAs (Gbr. 2), kami menyimpulkan bahwa substrat dan antarmuka terkait tidak memiliki pengaruh substansial pada properti heterostruktur yang ditumbuhkan MBE .
Untuk memahami penampilan sinyal PV dalam sampel kami, kita harus melihat pada Gambar 3 di mana kami menunjukkan profil pita yang dihitung di sepanjang arah pertumbuhan. Penjelasan rinci tentang asal PV antara kontak Au dan AuGeNi diberikan dalam makalah sebelumnya [45]. Ringkasnya, elektron (lubang) yang tereksitasi cahaya melayang secara dominan menuju substrat (permukaan), memberikan potensial positif pada kontak Au dan potensial negatif pada kontak AuGeNi.
(Warna online) menghitung profil pita dalam metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Struktur As (atas) dan pseudomorfik InAs/GaAs (bawah), untuk menjelaskan mekanisme PV. Pembengkokan pita dari lapisan yang lebih dalam di bawah kontak AuGeNi ditunjukkan dengan warna abu-abu. Transisi optik yang diamati dalam spektrum PV ditunjukkan oleh panah vertikal; panah tebal menunjukkan arah hanyut dari pembawa muatan yang tereksitasi secara optik di bawah medan internal (pembuatan PV); EB adalah energi Fermi. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Tibercad [50]
Menjelaskan PV bipolar dari struktur dengan si . yang aktif secara elektrik -GaAs, kita dapat mempertimbangkan struktur pita yang dihitung pada Gambar. 3. Seperti sebelumnya, pembawa yang dihasilkan di lapisan atas serta di QD dan WL mungkin memberikan "+" di bagian atas dan "−" di substrat. Tingkat Fermi di substrat semi-isolasi terletak jauh lebih rendah daripada yang ada di n -lapisan MBE yang didoping. Oleh karena itu, pita yang menekuk di dekat n
+
-GaAs/antarmuka substrat berlawanan dengan struktur MBE lainnya (lihat Gambar 3). Oleh karena itu, eksitasi di n
+
-Lapisan dan substrat GaAs (di atas 1,36 eV) memberikan sinyal PV yang berlawanan dengan sinyal dari QD, WL, dan buffer. Hal yang sama berlaku untuk eksitasi dari cacat EL2 (di atas 0,72 eV) dari substrat GaAs dan terutama cacat mirip EL2 di n
+
-GaAs/GaAs wilayah tegang [46, 57]. Kontribusi substrat dan n
+
-GaAs ke sinyal PV total pada dasarnya lebih kuat daripada lapisan MBE atas, dan sinyal negatif PV umumnya diamati pada energi eksitasi yang lebih rendah, sedangkan dampak lapisan InGaAs dan struktur nano muncul sebagai lembah pada kurva spektral masing-masing pada Gambar . 2. Hal ini terlihat jelas dengan membandingkan QD, WL, dan pita spektral buffer pada kurva PV dari struktur yang dikontakkan ke buffer MBE dengan lembah dalam spektrum sampel yang dikontakkan dengan substrat-atas. Untuk energi yang lebih tinggi, bagaimanapun, eksitasi diserap lebih dekat ke permukaan sampel tidak mencapai lapisan dan substrat MBE yang lebih dalam, yang merupakan sumber utama sinyal negatif. Oleh karena itu, sinyal PV menjadi positif pada energi yang lebih besar. Jadi, keberadaan elektrik aktif si -substrat mengarah pada kompetisi antara komponen spektral yang terkait dengan lapisan atas MBE yang tumbuh dan cacat terkait substrat dan n
+
- Penyerapan GaAs.
Jika tidak, fitur karakteristik serupa di atas 1,35 eV telah diamati melalui spektroskopi PV permukaan dalam studi mendetail baru-baru ini tentang p -doped InAs/GaAs QD dan InAs/InGaAs struktur dot-in-well berdasarkan si -GaAs substrat [58]. Penurunan drastis amplitudo PV telah dijelaskan, tidak seperti dalam kasus kami, oleh pembawa muatan berbeda yang dihasilkan di bawah dan di atas 1,35 eV. Namun, dengan mempertimbangkan perbedaan drastis dalam struktur yang dirujuk dan hadir serta spesifik dari metode yang diterapkan, kami mengikuti interpretasi kami atas hasil sendiri.
Berdasarkan konsep pita yang menekuk di bawah kontak AuGeNi, seseorang dapat menjelaskan penurunan tajam sinyal PV dalam struktur InAs/InGaAs metamorf yang dihubungi buffer di atas 1,36 eV yang diamati pada Gambar. 2a. Fitur spektral ini disebabkan oleh efek substrat dan MBE terdalam n
+
-Lapisan GaAs. Memang, elektron yang dihasilkan di sana bergerak di bawah medan intrinsik ke kontak AuGeNi yang membangkitkan medan listrik tambahan di sana, dengan ini penghalang karena pembengkokan pita pada heterojungsi InGaAs/GaAs jelas terlalu rendah untuk menjadi hambatan penting bagi pembawa muatan. Ini menyelaraskan pembengkokan pita di lapisan atas, yang secara langsung berkontribusi pada PV, dan, karenanya, mengurangi pasokan pembawa fotoeksitasi di atas n
+
-Lapisan GaAs dan, sebagai akibatnya, total sinyal PV.
Sebuah fitur kecil di dekat 1,39 eV diamati pada Gambar. 2b dalam spektrum sampel pseudomorfik yang dihubungi ke buffer MBE, meskipun penurunan drastis dari sinyal seperti dalam struktur metamorf harus diharapkan di atas 1,36 eV, dengan mempertimbangkan pembengkokan pita yang serupa dekat n
+
-GaAs/antarmuka substrat. Fitur seperti itu bukan hanya atribut substrat dan n
+
-GaAs yang didoping; transisi tersebut terdeteksi dalam struktur QD In(Ga)As/GaAs berdasarkan p -doping [58] dan GaAs yang tidak didoping [10, 55]. Transisi ini jelas terjadi juga di lapisan GaAs atas dari struktur pseudomorfik kami, yang sebagian besar mengkompensasi efek negatif dari lapisan dekat-substrat pada sinyal PV. Akibatnya, hanya pengaruh lapisan dekat-substrat yang dapat diabaikan yang dapat diamati pada kurva hitam untuk sampel InAs/GaAs pada Gambar. 2b daripada penurunan kurva pada kurva metamorf yang berasal dari lapisan GaAs yang lebih dalam, meskipun bipolar serupa efek yang diamati dengan partisipasi langsung substrat dalam pembentukan PV.
Alasan fitur kecil setelah 1,39 eV dalam spektrum sampel InAs/GaAs yang dihubungi ke buffer MBE dapat berbeda dari yang dibahas di atas untuk sampel InAs/InGaAs metamorf. Menurut pendapat kami, ini disebabkan oleh sedikit penurunan sinyal yang disebabkan oleh tepi penyerapan buffer GaAs 500 nm yang tumbuh di atas MBE yang menaungi QD dan WL yang merupakan kontributor yang lebih efisien untuk PV pada energi foton tersebut. Memang, elektron dan lubang yang dihasilkan dalam QD dan WL dibawa ke sisi yang berbeda dan menghindari rekombinasi, tidak seperti pembangkitan volume, di mana rekombinasi jauh lebih mungkin. Ini adalah alasan utama pendeteksian photocarrier yang efektif bahkan dari satu lapisan QD dan WL. Foton dengan energi lebih tinggi diserap pita-ke-pita di dekat permukaan n -Lapisan penyangga GaAs dan elektron lolos ke volume sampel menjauh dari lubang, menyebabkan kenaikan tajam PV di atas 1,4 eV. Kebenaran dari alasan yang disarankan untuk fitur 1,36 eV dalam struktur InAs/GaAs yang dihubungi buffer daripada yang diasumsikan untuk yang metamorfik dikonfirmasi oleh studi sel surya berdasarkan struktur InAs/GaAs dengan kontak bawah pada n
+
Substrat -GaAs [18, 24, 59], yaitu, dengan pita monoton yang menekuk seluruh sampel dari kontak ke kontak. Spektrum PV mereka mengungkapkan fitur yang sama tanpa penghalang yang terkait dengan antarmuka lapisan MBE ke substrat. Selanjutnya, kemiringan yang sempit diamati pada rentang spektral yang sama dalam spektrum PC struktur InGaAs/GaAs dengan geometri kontak lateral dan tanpa medan intrinsik [10, 55].
Spektrum PC dari struktur yang diperoleh pada bias 1 V diarahkan seperti medan intrinsik di lapisan atas struktur (“−” di bagian atas dan “+” di bagian bawah kontak) disajikan pada Gambar. 4. Spektrum PC untuk struktur yang berhubungan dengan lapisan MBE sangat mirip dengan PV pada Gambar. 2. Komponen dari buffer QD, WL, InGaAs, atau GaAs serta n
+
Lapisan -GaAs diamati pada energi yang sama. Mengenai struktur dengan kontak bawah pada si -GaAs substrat, spektrum PC memiliki ambang mendekati 0,72 eV terkait dengan penyerapan pusat cacat EL2.
(Warna online) spektrum arus foto suhu kamar dari metamorf InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai/si -GaAs dan InAs/GaAs/si conventional konvensional -struktur QD GaAs. Inset:skema listrik untuk menghubungkan sampel untuk pengukuran PC
Fitur spektrum PC untuk struktur yang dikontakkan dengan lapisan MBE yang disajikan pada Gambar 4 terutama sesuai dengan spektrum PV pada Gambar 2 yang dipertimbangkan di atas. Mengenai struktur dengan kontak bawah pada si Substrat -GaAs dengan komponen pusat EL2, ada persaingan antara sinyal dari penyerapan di lapisan MBE dan dari level terkait EL2, seperti yang dibahas di atas. Namun, bentuk kurva memungkinkan untuk menyimpulkan bahwa tidak ada pembawa muatan yang tereksitasi di dalam lapisan di atas n
+
-GaAs berpartisipasi dalam PC; ini sangat relevan untuk spektrum struktur QD metamorf. Jelas, elektron tidak mencapai dasar karena penghalang potensial tinggi (lihat Gambar 3) yang diinduksi oleh si -substrat. Substrat memiliki resistansi yang terlalu tinggi, dan penurunan utama bias yang diterapkan terjadi di atasnya, oleh karena itu, tidak ada penurunan penghalang yang terjadi.
Jadi, dapat dicatat bahwa PV dan arus foto dipengaruhi secara negatif oleh n . yang berhubungan dengan substrat
+
-Lapisan GaAs:penyerapan di atas 1,36 eV menyebabkan pengurangan sinyal yang drastis. Penyebab utama penghalang di bawah kontak AuGeNi adalah si Substrat -GaAs dengan posisi level Fermi yang agak rendah mengakibatkan pita menekuk berlawanan dengan yang ada di bagian atas struktur. Ini adalah satu-satunya efek dari substrat yang diamati dalam PV pada geometri kontak seperti itu, dan itu terwujud bahkan pada lapisan tengah yang agak tebal (400 nm) antara kontak bawah dan substrat.
B. Solusi Desain Lapisan Menengah Heterostruktur-Substrat
Dari sudut pandang praktis, dapat disimpulkan bahwa desain struktur InAs/InGaAs seperti itu dengan si Substrat -GaAs tidak berguna dalam rekayasa perangkat peka cahaya vertikal, terutama bersama dengan n yang relatif tipis
+
-doped buffer, bahkan ketika konfigurasi kontak menghilangkan aliran arus melalui substrat. Area muatan ruang yang terbentuk di n
+
-GaAs/daerah antarmuka substrat memaksa pembawa muatan yang tereksitasi di sini untuk bergerak berlawanan dengan yang tereksitasi dalam struktur metamorf, seperti pada Gambar. 3 dan 5a, sehingga menghasilkan sinyal PV yang berlawanan dan mengurangi efisiensi kuantum total sampel.
(Warna online) profil band terhitung dekat In0,15 Ga0,85 Antarmuka As/GaAs dari struktur metamorf yang tumbuh pada si -substrat dengan n
+
-Ketebalan lapisan GaAs a 100 nm (sampel saat ini), b 100 nm dan Ga setipis 10 nm0,3 Al0,7 Sebagai lapisan penghalang, dan c struktur seperti sekarang tetapi tumbuh di n
+
-substrat yang didoping mirip dengan tebal 100 nm n
+
-GaAs lapisan di atas. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Tibercad [50]
Oleh karena itu, untuk perangkat berdasarkan penyerapan cahaya, desain struktur yang berbeda harus dipertimbangkan. Kami percaya, perbaikan seperti itu perlu disarankan karena banyak kelompok penelitian mempertimbangkan si -GaAs substrat sebagai dasar untuk novel p -n -ketik fotodetektor inframerah QD [11,12,13] dan sel surya [15].
Penebalan sederhana dari n
+
-GaAs buffer di bawah struktur metamorf tampaknya bukan ide yang bagus. Meskipun buffer seperti itu dapat menyerap lebih banyak kuanta eksitasi di atas 1,37 eV dan membayangi antarmuka dan substrat di bawahnya, ketebalannya harus sangat tinggi, karena 800 nm bahan InGaAs dengan celah pita lebih sempit di atas tidak cukup untuk sepenuhnya menekan efek bipolar negatif. Selain itu, bahkan n . yang sangat tebal
+
Buffer -GaAs tidak dapat mengecualikan efek negatif dari pusat mirip EL2 yang terletak terutama di substrat dan di dekat antarmuka mereka ke lapisan MBE. Namun demikian, karena pembawa muatan memiliki jalur bebas rata-rata yang terbatas, penebalan n
+
-Lapisan GaAs dapat melemahkan medan negatif terinduksi pada kontak AuGeNi di atas.
Peningkatan yang lebih baik dapat diberikan dengan menumbuhkan lapisan penghalang tipis untuk elektron yang berasal dari substrat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Untuk perhitungan, Ga0.3 . yang tidak didoping tipis setebal 10 nm Al0,7 Sebagai lapisan penghalang telah dipilih. Penghalang seperti itu dapat dengan kuat membatasi elektron yang tereksitasi dalam substrat di dalam n
+
-Lapisan GaAs. Lapisan ohmik tinggi serupa yang ditumbuhkan oleh bahan celah pita lebar seperti InAlAs, GaAlAs, dan AlAs telah digunakan dalam struktur laser untuk menghindari kebocoran pembawa muatan dari wilayah aktif perangkat optoelektronik [60]. Namun, untuk kasus GaAs-In0,15 Ga0,85 Sebagai perangkat berbasis, Ga0.3 Al0,7 Sebagai kecocokan terbaik karena celah pita lebar dan ketidakcocokan kisi kecil antara lapisan epitaksial. Mengurangi medan pembawa yang diinduksi pada kontak AuGeNi, dapat menekan efek negatif dari wilayah substrat pada respons foto, terutama dalam kombinasi dengan peningkatan n
+
-Ketebalan lapisan InGaAs.
Namun, desain struktur vertikal yang lebih optimal tampaknya menggunakan gradien doping yang monoton, termasuk n
+
substrat GaAs yang didoping seperti yang diusulkan dalam Referensi [14, 39, 40]. Desain ini adalah yang paling efisien dan sekaligus paling sederhana. Jika substrat didoping mirip dengan capping n
+
-lapisan atau lebih berat, ini menyebabkan pita lentur yang digambarkan pada Gambar. 5c. Selain itu, keuntungan penting dari substrat semacam itu dapat terwujud dalam desain sel surya. Substrat dengan resistansi rendah memungkinkan penggunaan konfigurasi dengan kontak “–” di bagian bawah sampel [24, 38,39,40, 59], tanpa menghalangi struktur MBE dari sinar matahari.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa karakterisasi fotolistrik membuktikan pengaruh kritis dari tingkat dalam pada sifat fotolistrik dari InAs/In metamorf vertikal0,15 Ga0,85 As dan struktur QD InAs/GaAs pseudomorfik (konvensional) dalam kasus si yang aktif secara elektrik -GaAs substrat. Kedua struktur nano memanifestasikan PV bipolar yang disebabkan oleh kompetisi komponen yang berasal dari profil pita yang berkemiringan di dekat substrat GaAs dan MBE bawah n
+
Lapisan -GaAs di satu sisi dan sisa struktur MBE-tumbuh di sisi lain. Konfigurasi kontak alternatif, yang memungkinkan untuk menghindari aliran arus melalui lapisan bawah, menunjukkan PV unipolar. Konfigurasi terakhir bersama dengan buffer tebal pada substrat sangat menekan pengaruh tingkat kedalaman fotoaktif yang berasal dari antarmuka dengan si -GaAs substrat pada sifat fotolistrik struktur nano. Namun, efek tidak langsung negatif penting dari substrat pada tegangan foto dan sinyal arus foto dari struktur InAs/InGaAs diamati ketika eksitasi diserap dalam substrat dan dekat substrat n
+
-Lapisan MBE GaAs. Menganalisis hasil yang diperoleh dan perhitungan yang dilakukan, kami telah dapat memberikan wawasan tentang desain struktur QD metamorf, yang dapat berguna untuk pengembangan perangkat fotonik baru yang efisien.
