Fotokonduktivitas Rentang Telekom yang Ditingkatkan dalam Titik Kuantum Metamorfik InAs/InGaAs (1.3–1.55 µm)
Abstrak
Properti fotoelektrik dari nanostruktur titik kuantum (QD) metamorfik InAs/InxGa1 − xAs dikaji pada suhu kamar, menggunakan spektroskopi fotokonduktivitas (PC) dan fotoluminescensi, pengukuran listrik, dan pemodelan teoretis. Empat sampel dengan stechiometri yang berbeda dari lapisan pelapis InxGa1 − xAs telah ditanam: kandungan indium x adalah 0,15, 0,24, 0,28, dan 0,31. Struktur QD InAs/In0.15Ga0.85As ditemukan sensitif dalam rentang telekom pada 1,3 μm. Seiring meningkatnya x, redshift diamati untuk semua sampel, struktur dengan x = 0,31 ditemukan sensitif di dekat 1,55 μm, yaitu di jendela telekomunikasi ketiga. Secara bersamaan, hanya penurunan ringan dalam QD PC yang tercatat untuk x yang meningkat, sehingga mengonfirmasi respons foto yang baik yang dapat dibandingkan dengan struktur In0.15Ga0.75As dan nanostruktur QD berbasis GaAs. Juga, penurunan PC berkaitan dengan penurunan yang sama dalam intensitas fotoluminescensi. Dengan mensimulasikan secara teoretis sistem energi kuantum dan lokisasi carrier dalam QD, kami memperoleh wawasan tentang mekanisme PC dan dapat memberikan alasan untuk pengurangan arus foto, dengan mengaitkannya dengan perilaku khusus dari cacat dalam struktur semacam ini. Semua ini menyiratkan bahwa QD metamorfik dengan x yang tinggi adalah struktur yang valid untuk perangkat optoelektronik sensitif cahaya inframerah.
Latar Belakang
Nanostruktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs telah menarik minat banyak dalam satu dekade terakhir karena banyak manfaat [1,2,3,4,5,6,7]. Fitur paling menariknya adalah, dengan menanam QD pada buffer metamorfik InGaAs (MB), seseorang dapat mencapai penurunan yang signifikan dari energi transisi antara level QD [8] relatif terhadap struktur QD In(Ga)As/GaAs konvensional. Ini terjadi karena penurunan jarak energi QD InAs sebagai hasil dari pengurangan ketidakcocokan jaring antara QD InAs dan buffer InGaAs dan, sehingga, regangan dalam QD [9,10,11]. Jadi, aplikasi MB sebagai bahan pembatas memungkinkan untuk menggeser nilai panjang gelombang emisi lebih dalam ke dalam rentang inframerah (IR), khususnya ke dalam jendela telekomunikasi pada 1,3 dan 1,55 μm, sambil mempertahankan efisiensi tinggi [4, 12, 13]. Lebih lanjut, QD metamorfik telah menunjukkan properti menarik seperti (i) densitas QD tinggi [14], (ii) kemampuan untuk menyesuaikan level QD dan lapisan basah (WL) secara luas [10, 15], dan (iii) performa baik dari elemen aktif dalam perangkat emit cahaya [16]. Namun, penyelidikan terbaru tentang level dalam dalam QD metamorfik menunjukkan bahwa, meskipun struktur QD InAs/In0.15Ga0.85As memiliki densitas cacat total dekat lapisan QD yang dapat dibandingkan dengan QD pseudomorfik InGaAs/GaAs, struktur metamorfik dengan x yang lebih tinggi menunjukkan densitas cacat yang lebih tinggi [17, 18].
Struktur QD InAs metamorfik telah berhasil digunakan dalam desain dan pembuatan perangkat fotonik dan sensitif cahaya IR, seperti laser [19, 20], sumber foton tunggal [3, 7, 21, 22], dan sel surya [23,24,25]. Detektor QD In(Ga)As berdasarkan transisi interband dan intersubband saat ini aktif diteliti untuk deteksi yang ditingkatkan dari rentang IR dekat hingga IR panjang gelombang karena respons mereka terhadap radiasi pada insiden normal [26,27,28,29,30]. Misalnya, transisi intersubband elektron antara level yang terbatas kuantum dan keadaan kontinyu dapat dirancang dengan menyematkan QD InAs dalam lapisan InGaAs [29,30,31,32], karena desain ini memungkinkan untuk menyesuaikan panjang gelombang puncak deteksi, untuk mengontrol respons dengan bias yang diterapkan secara eksternal dan untuk mengurangi arus gelap [33, 34]. Hingga saat ini, belum ada kertas tentang implementasi struktur QD metamorfik dalam detektor.
Peran kunci untuk pengembangan bidang ini adalah pelestarian efisiensi emisi dan fotosensitivitas tinggi dari struktur QD metamorfik yang perlu setidaknya dapat dibandingkan dengan struktur QD InAs/GaAs konvensional [1, 5, 35]. Banyak studi telah dilakukan di bidang dasar dan aplikasi untuk mengembangkan desain struktur [6, 14, 21], untuk meningkatkan properti fotoelektrik [5, 13], dan untuk mengontrol/mengurangi cacat terkait regangan dalam heterostruktur [4, 36, 37].
Oleh karena itu, nanostruktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs adalah nanostruktur yang menarik, yang memungkinkan untuk memiliki emisi atau responsivitas foto dalam rentang IR 1,3- dan 1,55-μm [1,2,3,4,5,6,7]. Lebih lanjut, telah dilaporkan oleh kami sebelumnya bahwa struktur QD InAs/In0.15Ga0.75As vertikal dapat mempertahankan fotosensitivitas yang dapat dibandingkan dengan yang berbasis GaAs [5]. Namun, struktur metamorfik seperti ini jarang diteliti dalam pengukuran fotoelektrik dengan geometri lateral, di mana arus foto melalui transportasi carrier dalam bidang melalui saluran antara dua kontak atas. Biasanya, lapisan QD bersama dengan WL terkait membentuk saluran konduktivitas ini dalam struktur berbasis GaAs yang dirancang dengan geometri lateral [38]. Karena jenis konduktivitas khusus ini, detektor QD dengan transportasi lateral dipercaya memiliki potensi untuk responsivitas foto yang tinggi [39, 40]. Studi mendalam tentang nanostruktur QD metamorfik InAs/InGaAs dalam konfigurasi lateral dapat memberikan pengetahuan dasar tentang mekanisme dan efisiensi fotokonduktivitas (PC) dari transportasi carrier dalam bidang. Dalam kertas kami terbaru yang khusus tentang cacat dalam struktur QD metamorfik [17], kami melaporkan pengukuran PC lateral pada suhu rendah, hanya mempertimbangkan tepi spektrum IR yang berasal dari cacat. Namun, kami percaya bahwa karakterisasi yang tepat dan penyelidikan mendasar struktur pada suhu kamar dapat memberikan wawasan berharga untuk perbaikan lebih lanjut dari perangkat sensitif cahaya baru seperti detektor IR dekat, array linier, dan matriks kamera, dengan menerapkan QD metamorfik.
Dalam pekerjaan saat ini, kami mempelajari properti fotoelektrik dalam bidang nanostruktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs yang ditanam oleh epitaksi aliran molekul dengan komposisi In yang berbeda x, menggunakan spektroskopi PC dan PL, pengukuran listrik lateral, dan perhitungan pemodelan. Khususnya, kami berfokus pada pengamatan redshift yang mungkin dari respons foto lapisan QD menuju IR di luar 1,3 μm sambil mempertahankan fotosensitivitas yang sama untuk struktur sensitif cahaya In0.15Ga0.85As dan GaAs QD. Fotosensitivitas tinggi dalam rentang panjang gelombang IR dekat pada suhu kamar adalah indikasi bahwa nanostruktur ini dapat berguna tidak hanya untuk perangkat berdasarkan transisi interband tetapi juga untuk detektor intersubband yang bekerja di luar 10 μm.
Metode
Persiapan dan Deskripsi Sampel
Struktur yang ditelajahi secara skematik ditunjukkan dalam Gambar 1 ditanam oleh epitaksi aliran molemul. Pertama, substrat GaAs (100) semi-insulatif ditutupi oleh buffer GaAs tebal 100 nm pada 600 °C, diikuti oleh depoisi MB InGaAs yang tidak didope tebal 500 nm pada 490 °C. Kemudian, setelah gangguan pertumbuhan sebelumnya selama 210 s untuk mendinginkan substrat, 3,0 MLs (monolayer) InAs ditanam pada 460 °C. Akhirnya, QD yang dibentuk sendiri ini ditutupi oleh 20 nm InxGa1 − xAs yang tidak didupe dengan stechiometri MB yang sama. Empat sampel dengan stechiometri yang berbeda dari lapisan pelapis InxGa1 − xAs telah dibuat: kandungan In x adalah 0,15, 0,24, 0,28, dan 0,31.
Secara warna online. Skema struktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs dan koneksinya untuk pengukuran fotoelektrik
Pemodelan Teoretis
Untuk desain struktur metamorfik serta pemahaman profil energi, perhitungan sistem energi kuantum yang terdiri dari QD In(Ga)As, MB yang tidak didope, dan lapisan pelapis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Tibercad [41] yang telah kami buktikan cukup untuk mensimulasikan properti optik nanostruktur semikonduktor berdimensi rendah [2, 15, 42].
Kami mempertimbangkan QD InAs dengan bentuk kerucut terpangkas dan ukuran yang diambil dari data mikroskopi gaya atom eksperimental [14]; kami menyertakan kehadiran WL InAs, yang parameternya bergantung pada properti lapisan metamorphik InxGa1 − xAs [15].
Pertama, perhitungan regangan untuk struktur dilakukan, dengan menghitung komponen tensor regangan QD, yang diinduksi oleh ketidakcocokan fQD antara QD dan MB, didefinisikan sebagai
di mana aMB(x) adalah parameter jaringan MB InxGa1 − xAs dan aInAs adalah parameter jaringan InAs. Kemudian, profil band untuk QD dan lapisan pengelola tergantung pada potensi deformasi bahan yang relevan (InAs untuk QD dan WL dan InGaAs yang longgar untuk MB).
Akhirnya, persamaan Schrödinger
$$ \boldsymbol{H}\psi = E\psi $$ (2)
diselesaikan dalam pendekatan fungsi amplas dengan pendekatan massa efektif satu-band untuk elektron dan pendekatan 6 band k•p untuk lubang, di mana Hamiltonian 3D adalah
Pendekatan ini dianggap memuaskan saat melakukan perhitungan keadaan dasar QD [2]. Tingkat dasar untuk elektron dan lubang berat diperoleh, bersama dengan kepadatan probabilitas mereka. Energi emisi fotoluminescensi diperoleh dengan mengambil selisih energi antara tingkat yang terbatas untuk elektron dan lubang berat, dikurangi 20 meV untuk mempertimbangkan efek eksiton.
Deskripsi yang lebih rinci tentang perhitungan model dapat ditemukan dalam Ref. [2].
Karakterisasi Fotoelektrik
Untuk pengukuran fotoelektrik lateral, dua kontak permukaan eutetik InGa ditempatkan atas potongan 5 × 2 mm struktur. Karakteristik I–V linier yang diukur yang diberikan dalam Gambar 2 telah mengonfirmasi ohmisitas kontak. Arus yang mengalir melalui sampel diukur oleh multimeter Siglent SDM3055, menggunakan teknik dc standar [43, 44] sebagai jatuhan tegangan di seluruh beban seri RL sebesar 1 MΩ, yang jauh lebih kecil dari resistansi sampel. Arus foto diangsatkan oleh cahaya lampu halogen 250-W yang dicerna dengan monokromer prisma, dan spektrum PC direkam dalam rentang 0,6 hingga 1,6 eV [44,45,46]. Spektra dinormalisasi ke jumlah kuanta eksitasi dari sumber cahaya. Spektra PL diperoleh menggunakan laser 532-nm sebagai sumber eksitasi dengan densitas daya 5 W/cm2. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamar (300 K).
Secara warna online. Karakteristik I–V struktur InAs/InxGa1 − xAs dengan x = 0,15 (a), 0,24 (b), 0,28 (c), dan 0,31 (d) untuk gelap (hitam) dan di bawah iluminasi 350 μW/cm2 (warna) pada energi puncak spektrum PL (eksitasi QD) dan 1,3 eV (absorpsi efektif dalam InGaAs). Insets: ketergantungan arus foto pada tegangan bias
Hasil dan Pembahasan
Spektrum PC struktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs yang diteliti pada suhu kamar diberikan dalam Gambar 3 bersama dengan pita PL, yang menunjukkan transisi optik antara keadaan dasar QD. Intensitas relatif dan posisi pita PL juga ditunjukkan dalam Gambar 4b. Fitur karena QD, lapisan pembatas InGaAs, dan lapisan bawah GaAs diamati pada kurva PC. Sinyal arus foto pada energi di bawah awal pita PL dapat terkait dengan cacat struktur yang terdeteksi sebelumnya [17].
Secara warna online. Spektrum PC struktur metamorfik InAs/InxGa1 − xAs pada suhu kamar dan bias 11 V untuk x = 0,15 (a), 0,24 (b), 0,28 (c), dan 0,31 (d). Intensitas eksitasi untuk kurva hitam, merah, dan biru pada 1,3 eV masing-masing 88, 350, dan 1400 μW/cm2. Spektra PL dalam satuan arbitrer diberikan untuk penempatan energi transisi keadaan dasar QD. Panah vertikal menandai jarak energi InGaAs (εg) yang dihitung menurut Paul et al. [48] dan posisi spektral, di mana ketergantungan PC pada intensitas eksitasi diukur (diberikan dalam Gambar 5)
Secara warna online. Perhitungan pemodelan untuk struktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs: a profil band dalam struktur dengan berbagai x sepanjang sumbu pertumbuhan; b pita PL QD aktual dan posisi puncak yang dihitung (vertikal putus-putus); dan c kepadatan probabilitas elektron dan lubang yang terbatas untuk QD InAs/In0.15Ga0.85As. Semua perhitungan struktur yang dimodelkan dilakukan pada 300 K
Struktur QD InAs/In0.15Ga0.85As metamorfik yang diteliti ditemukan sensitif foto dalam rentang telekom pada 0,95 eV (1,3 μm) (Gambar 3a). Seiring meningkatnya x, redshift diamati untuk semua sampel: struktur dengan x = 0,31 ditemukan sensitif di dekat 0,8 eV (1,55 μm) (Gambar 3d), yaitu di jendela telekom ketiga [47]. Pergeseran ini terkait dengan pengurangan ketidakcocokan jaring antara bahan QD InAs dan buffer InxGa1 − xAs dengan peningkatan x dan, sehingga, pengurangan regangan dalam QD. Ini mengarah pada penyempitan jarak energi QD InAs dan, pada gilirannya, ke redshift pita PL serta awal respons foto menuju IR [1,2,3,4,5,6, 19, 35].
Secara bersamaan, hanya penurunan ringan dalam sinyal arus foto QD yang tercatat, sehingga mengonfirmasi pelestarian responsivitas foto yang baik, yang dapat dibandingkan dengan sampel In0.15Ga0.75As. Seperti yang kami bahas baru-baru ini [5], struktur QD metamorfik dengan x = 0,15 menunjukkan respons foto yang sangat mirip dengan struktur QD InAs/GaAs pseudomorfik. Juga, penurunan PC berkaitan dengan penurunan PL seperti yang dapat dilihat dalam Gambar 3.
Efek ini untuk sampel kami ternyata paling mencolok dalam Gambar 2, di mana ketergantungan I–V pada gelap dan di bawah iluminasi pada titik spektral karakteristik yang berbeda pada tegangan bias ditampilkan, bersama dengan ketergantungan arus foto dalam insets. Seperti dalam Gambar 3, nilai arus foto menyiratkan hanya bagian arus yang diinduksikan foto yang diperoleh dari arus total di bawah iluminasi dengan mengurangi nilai arus gelap. Titik spektral ini adalah puncak pita PL dan 1,3 eV, di mana absorpsi band-ke-band efektif dalam MB InGaAs terjadi. Seperti pada karakteristik I–V gelap, ketergantungan ini linier dalam kesalahan eksperimental.
Respons foto terbaik diukur dalam struktur dengan kandungan In minimal dalam lapisan pengikat. Ini juga memiliki arus gelap terendah. Nilai arus foto pada tingkat eksitasi yang diterapkan (350 μW/cm2) dalam struktur InAs/In0.15Ga0.85As adalah dua hingga tiga kali di atas arus gelap saat MB dipompa. Respons foto pada eksitasi QD dapat dibandingkan dengan arus gelap; namun, harus dipertimbangkan bahwa struktur kami hanya memiliki satu lapisan QD. Pembuatan struktur QD berlapis banyak pasti akan mengarah pada peningkatan yang signifikan dalam respons foto IR. Struktur lain dengan x yang lebih tinggi mengungkapkan sinyal arus foto yang lebih rendah; besaran yang terdeteksi pada kedua titik spektral adalah sekitar satu urutan lebih rendah dari nilai arus gelap dalam rentang luas tegangan yang diterapkan. Respons foto terendah ditemukan untuk struktur InAs/In0.31Ga0.69As dengan kandungan In MB maksimal.
Kemungkinan besar, penurunan responsivitas foto ini terkait dengan peningkatan densitas cacat MB dengan x, yang telah ditentukan sebelumnya untuk struktur ini, menggunakan spektroskopi arus terstimulai termal level dalam [17], yang berkaitan baik dengan analisis struktural nanostruktur semacam ini [1]. Kami telah melaporkan bahwa struktur QD InAs/In0.15Ga0.85As memiliki densitas cacat total dekat lapisan QD yang dapat dibandingkan dengan InGaAs/GaAs, sedangkan struktur lain dengan kandungan In yang lebih tinggi menunjukkan densitas cacat yang lebih tinggi seperti kompleks titik defek GaAs yang dikenal EL2, EL6, EL7, EL9, dan EL10 dekat lapisan QD dan tiga tingkat yang diyakibatkan oleh cacat terluas yang merambat melalui buffer.
Mengenai bentuk spektrum (Gambar 3), di atas eksitasi QD, penyerapan cahaya dan, sehingga, generasi carrier terjadi terutama dalam MB pada energi di atas jarak energi lapisan pengikat InGaAs εg, yang nilai untuk berbagai x diestimasi oleh rumus empiris [48]. Namun, perlu diperhatikan bahwa peningkatan energi foton di atas εg mengarah pada penurunan ringan dalam respons foto. Secara alami, ini mengonfirmasi bahwa QD metamorfik, meskipun menjadi pusat rekombinasi yang efektif [1, 2, 12, 22], adalah kontributor yang lebih efisien ke arus foto daripada MB [5, 6, 23].
Untuk memahami mekanisme PC dari keanehan ini, seseorang harus melihat Gambar 4a, di mana kami menunjukkan profil band QD yang dihitung sepanjang arah pertumbuhan untuk sampel kami. Perhitungan divalidasi oleh hasil level energi kuantum untuk elektron dan lubang: energi emisi PL yang diharapkan sepakat dengan transisi keadaan dasar QD PL yang diukur secara eksperimental (Gambar 4b). Dalam Gambar 4c, kami menunjukkan kepadatan probabilitas simulasi untuk elektron dan lubang yang terbatas, yang diperoleh oleh gelombang carrier yang dihitung dengan modelisasi Tibercad, yang menunjukkan tingkat lokisasi yang lebih tinggi untuk lubang berat dibandingkan dengan elektron.
Untuk berkontribusi pada sinyal arus foto, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan oleh absorpsi interband QD harus melarikan diri dari QD oleh emisi termal. Dalam studi sebelumnya [49], telah terbukti bahwa dalam QD metamorfik elektron dan lubang berat melarikan diri secara bersamaan dari QD sebagai pasangan yang berkorelasi. Selain itu, telah juga ditunjukkan bahwa energi aktivasi untuk proses seperti ini sesuai dengan jumlah energi aktivasi untuk kedua partikel [50].
Saat mempelajari pemadaman termal emisi PL dari QD metamorfik [10, 51], kami telah membuktikan bahwa energi aktivasi seperti ini sama dengan jumlah jarak energi dari level WL dan keadaan QD dan berkisar dari 250 meV untuk x = 0,15 hingga 150 meV untuk x = 0,31. Seperti yang dibahas luas dalam Ref. [51], nilai-nilai ini menyebabkan pemadaman yang kuat emisi PL pada suhu kamar melalui pelarikan termal carrier yang terbatas.
Berdasarkan hal ini, kami dapat menyimpulkan bahwa carrier yang diangsatkan dalam QD dapat melarikan diri secara termal ke WL dan MB: di sana, elektron dan lubang berat dipisahkan oleh lenturan band di dekat QD (Gambar 4a), yang mempromosikan penangkapan lubang kembali ke QD dan, sementara menjadi hambatan untuk elektron, sehingga secara efektif menekan rekombinasi radiatif mereka. Akibatnya, lubang berat berkonsentrasi di tepi QD (Gambar 4c), sedangkan elektron bebas untuk bergerak sepanjang lubang potensial WL dan MB yang berkontribusi pada konduktivitas. Perlu diperhatikan bahwa dalam Ref. [49], dibahas bahwa, meskipun berkorelasi selama proses pelarian, carrier tidak dapat dianggap sebagai eksiton pada suhu kamar; sehingga, mereka dapat dengan mudah dipisahkan oleh lenturan band di dekat QD.
Selain itu, saat mengangsatkan MB, lubang non-seimbang dihasilkan dalam lapisan pengikat dan merekombinasikan dengan elektron. Perlu disebutkan di sini bahwa WL dikenal sebagai saluran konduktivitas untuk nanostruktur berbasis GaAs [52] dan, dalam struktur lateral kami yang dirancang dengan kontak permukaan, tidak ada heterojungsi, sehingga carrier dikumpulkan secara efisien di dekat permukaan bidang.
Dalam Gambar 3, penurunan sinyal PC tepat di atas εg berubah menjadi kenaikan pada energi yang lebih tinggi, misalnya, di atas 1,3 atau 1,1 eV untuk sampel dengan x sebesar 0,15 atau 0,31, masing-masing. Ini mungkin disebabkan oleh absorpsi optik yang lebih dekat ke permukaan dan lapisan QD, sehingga melibatkan jebakan yang lebih dangkal. Seperti yang telah terbukti untuk struktur ini oleh spektroskopi arus terstimulai termal dan spektroskopi transien level dalam [17, 18], jebakan elektron yang lebih dalam terletak terutama dalam lapisan MB InGaAs, sedangkan jebakan yang lebih dangkal berkonsentrasi di dekat permukaan (hubungan dengan sampel ini, dekat lapisan QD). Elektron yang tertangkap dalam jebakan yang lebih dangkal dapat lebih mudah melarikan diri kembali ke band konduksi pada suhu kamar. Jadi, elektron bebas dekat lapisan QD lebih mobile daripada yang diangsatkan lebih dalam dalam MB dan, sehingga, memberikan kontribusi yang lebih tinggi pada transfer muatan. Lebih lanjut, elektron, yang dihasilkan di dekat permukaan, dapat bebas mentransfer ke saluran konduktivitas WL.
Penurunan arus foto yang serupa setelah peningkatan di atas jarak energi GaAs (di dekat 1,4 eV) diamati. Efek ini mungkin disebabkan oleh generasi carrier dekat antarmuka InGaAs/GaAs, yang dikenal memiliki densitas tinggi keadaan defek yang bertindak sebagai jebakan dan pusat rekombinasi.
Kontribusi relatif dari berbagai transisi optik ke respons foto struktur bervariasi dengan intensitas pompa. Ini lebih terlihat dalam Gambar 5, yang menunjukkan nilai arus foto sebagai fungsi dari intensitas eksitasi pada titik spektral karakteristik yang berbeda: awal pita PL (eksitasi resonan dari ensemble QD) atau absorpsi band-ke-band yang efisien dalam InGaAs (1,3 eV) dan GaAs (1,5 eV).
Secara warna online. Arus foto versus intensitas eksitasi untuk struktur InAs/InxGa1 − xAs dengan ax = 0,15 dan b 0,31. Garis-garis adalah pemasangan dengan fungsi f(x) ~ xα
Struktur dengan berbagai kandungan In dalam lapisan pengikat menunjukkan ketergantungan yang serupa pada rentang spektral yang setara. Jadi, eksitasi band-ke-band dalam GaAs (1,5 eV) menunjukkan ketergantungan kuadratik pada sebagian besar nilai intensitas. Ini adalah khas untuk rekombinasi band-ke-band dari carrier muatan non-seimbang, misalnya ketika mereka sangat mendominasi di bawah carrier seimbang [53]: ini dapat diharapkan dalam struktur kami yang tidak didope. Ketergantungan dalam kasus eksitasi dalam QD dan lapisan pengikat InGaAs sangat mirip satu sama lain tetapi berbeda dari yang untuk GaAs. Mereka linier pada intensitas eksitasi rendah dan menjadi sublinier pada intensitas yang lebih tinggi. Perilaku ini jelas menunjukkan rekombinasi carrier yang melibatkan pusat Shockley-Read: ketergantungan linier menjadi sublinier, karena sebagian dari pusat tersebut teratur pada tingkat generasi carrier yang lebih tinggi [54]. Hasil pengukuran bergantung pada intensitas ini secara jelas menunjukkan generasi yang efisien dari carrier muatan utama pada tingkat rekombinasi yang relatif rendah dalam lapisan pengikat QD dan densitas yang jauh lebih tinggi dari pusat rekombinasi dalam lapisan GaAs. Misalnya, selama eksitasi QD dalam karakterisasi serupa, struktur sensitif cahaya QD InGaAs/GaAs menunjukkan ketergantungan dari intensitas sebagai PC(I) ~ I0.25, yang terjadi karena tingkat rekombinasi non-radiatif yang tinggi melalui level defek bersama dengan rekombinasi radiatif QD [40, 55]. Namun, perlu diperhatikan bahwa struktur InGaAs/GaAs adalah berlapis banyak yang memiliki tujuh lapisan QD.
Dari pengukuran dan interpretasi ini, beberapa indikasi untuk penggunaan QD metamorfik untuk deteksi IR dapat disorot: (i) saat menggunakan x > 0,15, desain canggih yang memungkinkan kontrol cacat terkait regangan harus digunakan, mirip dengan yang dilakukan untuk pengembangan QD metamorfik [19, 20, 37]; (ii) tumpukan berlapis QD (dengan minimum 10 lapisan) diperlukan untuk mendapatkan PC QD di atas arus gelap [27, 56]; dan (iii) karena lokisasi lubang berat yang lebih tinggi bermanfaat untuk arus foto yang diperoleh saat mengangsatkan QD, desain canggih dengan hambatan jarak energi yang lebih tinggi untuk lubang berat dapat dipertimbangkan [51, 57]. Oleh karena itu, temuan ini dapat sangat berguna untuk desain QD metamorfik yang bertujuan pada deteksi IR dan pengembangan detektor QD metamorfik.
Kesimpulan
Properti fotoelektrik nanostruktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs dikaji pada suhu kamar, menggunakan spektroskopi PC dan PL, pengukuran listrik, dan simulasi model teoretis. Nanostruktur QD metamorfik InAs/InxGa1 − xAs yang diteliti ditemukan sensitif foto dalam jendela telekomunikasi pada 1,3 (x = 0,15) dan 1,55 μm (x = 0,31). Namun, PC QD serta efisiensi PL struktur dengan kandungan In yang lebih tinggi dalam MB diperkirakan lebih rendah dan, meskipun demikian, dapat dibandingkan dengan struktur InAs/In0.15Ga0.85As, yang memiliki sensitivitas yang mirip dengan struktur QD InGaAs/GaAs. Pengurangan responsivitas foto ini terkait dengan peningkatan densitas cacat MB dengan x. Juga, berkat perhitungan pemodelan, kami menyediakan wawasan tentang mekanisme PC dalam jenis struktur QD yang diteliti ini. Semua ini menyiratkan bahwa QD metamorfik dengan x yang tinggi adalah struktur yang valid untuk perangkat sensitif cahaya IR optoelektronik, asalkan beberapa titik perhatian diatasi dengan optimisasi desain nanostruktur.
