Interband Photoconductivity of Metamorphic InAs/InGaAs Quantum Dots di Jendela 1,3–1,55-μm
Abstrak
Sifat fotolistrik dari metamorf InAs/Inx Ga1 − x Karena struktur nano quantum dot (QD) dipelajari pada suhu kamar, menggunakan fotokonduktivitas (PC) dan spektroskopi fotoluminesensi, pengukuran listrik, dan pemodelan teoretis. Empat sampel dengan stoikiometri yang berbeda dari Inx Ga1 − x Saat lapisan cladding telah tumbuh:konten indium x adalah 0,15, 0,24, 0,28, dan 0,31. InAs/In0,15 Ga0,85 Karena struktur QD ditemukan menjadi fotosensitif dalam rentang telekomunikasi pada 1,3 μm. Sebagai x meningkat, pergeseran merah diamati untuk semua sampel, struktur dengan x = 0,31 ditemukan sensitif di dekat 1,55 μm, yaitu, pada jendela telekomunikasi ketiga. Secara bersamaan, hanya sedikit penurunan pada QD PC yang tercatat untuk peningkatan x , sehingga mengonfirmasi respons foto yang baik yang sebanding dengan salah satu dari In0,15 Ga0,75 Sebagai struktur dan struktur nano QD berbasis GaAs. Juga, pengurangan PC berkorelasi dengan pengurangan intensitas fotoluminesensi yang serupa. Dengan mensimulasikan secara teoritis sistem energi kuantum dan lokalisasi pembawa di QD, kami memperoleh wawasan tentang mekanisme PC dan dapat menyarankan alasan pengurangan arus foto, dengan mengaitkannya dengan perilaku cacat yang aneh pada jenis struktur seperti itu. Semua ini menyiratkan bahwa QD metamorf dengan x high yang tinggi adalah struktur yang valid untuk perangkat peka cahaya inframerah optoelektronik.
Latar Belakang
Metamorphic InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur nano QD telah menarik banyak minat dalam dekade terakhir karena banyak manfaat [1,2,3,4,5,6,7]. Fitur mereka yang paling menarik adalah, dengan menumbuhkan QD pada buffer metamorf (MB) InGaAs, seseorang dapat mencapai pengurangan yang signifikan dari energi transisi antara level QD [8] sehubungan dengan struktur QD In(Ga)As/GaAs konvensional . Hal ini terjadi karena penurunan celah pita InAs QD sebagai akibat dari pengurangan mismatch kisi antara InAs QD dan buffer InGaAs dan, karenanya, regangan pada QD [9,10,11]. Jadi, penerapan MB sebagai bahan pembatas memungkinkan untuk menggeser nilai panjang gelombang emisi lebih dalam ke kisaran inframerah (IR), khususnya, ke jendela telekomunikasi pada 1,3 dan 1,55 m, sambil mempertahankan efisiensi tinggi [4, 12, 13]. Lebih lanjut, QD metamorf telah menunjukkan sifat yang menarik seperti (i) kepadatan QD yang tinggi [14], (ii) kemungkinan untuk menyesuaikan level QD dan lapisan pembasahan (WL) secara luas [10, 15], dan (iii) kinerja yang baik dari elemen aktif dalam perangkat pemancar cahaya [16]. Namun, penyelidikan baru-baru ini tentang tingkat kedalaman dalam QD metamorf menunjukkan bahwa, meskipun InAs/In0,15 Ga0,85 Karena struktur QD memiliki kepadatan cacat total yang dekat dengan lapisan QD yang sebanding dengan QD pseudomorfik InGaAs/GaAs, struktur metamorf dengan x yang lebih tinggi menunjukkan kepadatan cacat yang lebih tinggi [17, 18].
Struktur QD InAs metamorf telah menemukan aplikasi yang sukses dalam desain dan fabrikasi fotonik IR dan perangkat peka cahaya, seperti laser [19, 20], sumber foton tunggal [3, 7, 21, 22], dan sel surya [23] ,24,25]. Fotodetektor In(Ga)As QD berdasarkan transisi interband dan intersubband saat ini secara aktif diselidiki untuk deteksi yang ditingkatkan dari rentang IR dekat ke IR gelombang panjang karena responsnya terhadap iradiasi pada kejadian normal [26,27,28,29,30] . Misalnya, transisi elektron antar subband antara level terbatas kuantum dan status kontinum dapat direkayasa dengan menanamkan QD InAs dalam lapisan InGaAs [29,30,31,32], karena desain ini memungkinkan untuk menyetel panjang gelombang puncak deteksi, untuk mengontrol respon oleh bias yang diterapkan secara eksternal dan untuk mengurangi arus gelap [33, 34]. Sampai saat ini, tidak ada makalah tentang implementasi struktur QD metamorf dalam fotodetektor.
Peran kunci untuk pengembangan area ini adalah pelestarian efisiensi emisi tinggi dan fotosensitifitas struktur QD metamorf yang harus setidaknya sebanding dengan struktur QD InAs/GaAs konvensional [1, 5, 35]. Banyak penelitian dilakukan di bidang dasar dan aplikasi untuk mengembangkan desain struktur [6, 14, 21], untuk meningkatkan sifat fotolistrik [5, 13], dan untuk mengontrol/mengurangi cacat terkait regangan pada heterostruktur [4, 36, 37].
Oleh karena itu, InAs/Inx Ga1 − x Karena struktur nano QD metamorf adalah struktur nano yang menarik, yang memungkinkan untuk memiliki emisi atau fotoresponsivitas dalam rentang IR 1,3 dan 1,55 m [1,2,3,4,5,6,7]. Selanjutnya, kami melaporkan sebelumnya bahwa InAs/In vertikal0,15 Ga0,75 Karena struktur QD dapat mempertahankan fotosensitifitas yang sebanding dengan yang berbasis GaAs [5]. Namun, struktur metamorf seperti itu jarang dipelajari dalam pengukuran fotolistrik dengan geometri lateral, di mana arus foto berlangsung melalui pengangkutan pembawa dalam bidang melintasi saluran antara dua kontak teratas. Umumnya, lapisan QD bersama dengan WL yang terkait membentuk saluran konduktivitas ini dalam struktur berbasis GaAs yang dirancang geometri lateral [38]. Karena jenis konduktivitas yang aneh ini, fotodetektor QD dengan transpor lateral diyakini memiliki potensi fotoresponsivitas yang tinggi [39, 40]. Studi mendalam tentang struktur nano QD InAs / InGaAs metamorf dalam konfigurasi lateral dapat memberikan pengetahuan mendasar tentang mekanisme fotokonduktivitas (PC) dan efisiensi transportasi pembawa dalam-polos. Dalam makalah terbaru kami yang ditujukan untuk cacat pada struktur QD metamorf [17], kami melaporkan pengukuran PC lateral pada suhu rendah, dengan mempertimbangkan hanya tepi spektrum IR yang berasal dari cacat. Namun, kami percaya bahwa karakterisasi yang tepat dan penyelidikan mendasar dari struktur pada suhu kamar dapat memberikan wawasan yang berharga untuk peningkatan lebih lanjut dari perangkat peka cahaya baru seperti fotodetektor dekat-IR, susunan linier, dan matriks kamera, dengan menerapkan QD metamorf.
Dalam karya ini, kami mempelajari sifat fotolistrik dalam bidang dari metamorf InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur nano QD yang ditumbuhkan oleh epitaksi berkas molekul dengan komposisi berbeda x , menggunakan spektroskopi PC dan photoluminescence (PL), pengukuran listrik lateral, dan perhitungan pemodelan. Secara khusus, kami berfokus pada pengamatan kemungkinan pergeseran merah dari respons foto lapisan QD terhadap IR di atas 1,3 μm sambil mempertahankan fotosensitifitas yang sama untuk In0,15 Ga0,85 Struktur peka cahaya As dan GaAs QD. Fotosensitifitas yang tinggi dalam rentang panjang gelombang IR-dekat pada suhu kamar merupakan indikasi bahwa struktur nano ini dapat berguna tidak hanya untuk perangkat yang didasarkan pada transisi antar pita tetapi juga untuk fotodetektor antar pita yang bekerja lebih dari 10 μm.
Metode
Contoh Persiapan dan Deskripsi
Struktur yang dipelajari secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 1 ditumbuhkan dengan epitaksi berkas molekul. Pertama, substrat GaAs semi-isolasi (100) ditutupi oleh buffer GaAs setebal 100 nm pada 600 °C, diikuti oleh pengendapan InGaAs MB 500 nm yang tidak didoping dengan ketebalan pada 490 °C. Kemudian, setelah gangguan pertumbuhan sebelumnya selama 210 detik untuk mendinginkan substrat, 3,0 ML (lapisan tunggal) InAs ditanam pada 460 °C. Akhirnya, QD yang dirakit sendiri ini ditutupi oleh 20 nm Inx yang tidak didoping Ga1 − x Seperti halnya stoikiometri MB yang sama. Empat sampel dengan stoikiometri yang berbeda dari Inx Ga1 − x Karena lapisan kelongsong telah dibuat:Dalam konten x adalah 0,15, 0,24, 0,28, dan 0,31.
Warna online. Skema metamorf InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur QD dan hubungannya untuk pengukuran fotolistrik
Pemodelan Teoretis
Untuk perancangan struktur metamorf serta pemahaman tentang profil energi, perhitungan sistem energi kuantum yang disusun oleh In(Ga)As QDs, MB yang tidak didoping, dan lapisan penutup dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Tibercad [41] yang kami tunjukkan kepada cukup untuk mensimulasikan sifat optik semikonduktor struktur nano dimensi rendah [2, 15, 42].
Kami mempertimbangkan QD InAs dengan bentuk dan ukuran kerucut terpotong yang diambil dari data mikroskop gaya atom eksperimental [14]; kami menyertakan keberadaan InAs WL, yang parameternya bergantung pada Inx Ga1 − x Sebagai properti lapisan metamorf [15].
Pertama, perhitungan regangan untuk struktur dibuat, dengan menghitung komponen tensor regangan QD, yang disebabkan oleh ketidaksesuaian fQD antara QD dan MB, didefinisikan sebagai
dimana aMB (x ) adalah parameter kisi Inx Ga1 − x Sebagai MB dan aInAs adalah parameter kisi InAs. Kemudian, profil pita untuk QD dan lapisan penyematan bergantung pada potensi deformasi dari bahan yang relevan (InAs untuk QD dan WL dan InGaAs santai untuk MB).
Akhirnya, persamaan Schrödinger
$$ \boldsymbol{H}\psi =E\psi $$ (2)
diselesaikan dalam pendekatan fungsi amplop dengan pendekatan massa efektif pita tunggal untuk elektron dan pendekatan 6 pita k•p untuk lubang, di mana Hamiltonian 3D adalah
Pendekatan seperti itu dianggap memuaskan ketika melakukan perhitungan keadaan dasar QD [2]. Dengan demikian, permukaan tanah untuk elektron dan lubang berat diperoleh, di samping kerapatan probabilitasnya. Energi emisi fotoluminesensi diperoleh dengan mengambil perbedaan energi antara tingkat terbatas untuk elektron dan lubang berat, dikurangi sebesar 20 meV untuk mempertimbangkan efek eksitonik.
Penjelasan lebih rinci tentang perhitungan model dapat ditemukan di Ref. [2].
Karakterisasi Fotolistrik
Untuk pengukuran fotolistrik lateral, dua kontak permukaan eutektik InGa diendapkan pada potongan struktur berukuran 5 × 2 mm. Linier terukur I –V karakteristik yang diberikan pada Gambar. 2 telah mengkonfirmasi ohmisitas kontak. Arus yang mengalir melalui sampel diukur dengan multimeter Siglent SDM3055, menggunakan teknik dc standar [43, 44] sebagai penurunan tegangan pada resistansi beban seri RL dari 1 MΩ, yang jauh lebih kecil dari resistansi sampel. Arus foto dieksitasi oleh cahaya lampu halogen 250-W yang didispersikan dengan monokrom prisma, dan spektrum PC direkam dalam kisaran dari 0,6 hingga 1,6 eV [44,45,46]. Spektrum dinormalisasi dengan bilangan kuanta eksitasi sumber cahaya. Spektrum PL diperoleh menggunakan laser 532 nm sebagai sumber eksitasi dengan kerapatan daya 5 W/cm
2
. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamar (300 K).
Warna online. Aku –V karakteristik InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur dengan x = 0,15 (a ), 0,24 (b ), 0,28 (c ), dan 0,31 (d ) untuk gelap (hitam) dan di bawah pencahayaan 350 μW/cm
2
(warna) pada energi puncak spektrum PL (eksitasi QD) dan 1,3 eV (penyerapan efektif dalam InGaAs). Insets:ketergantungan arus foto pada tegangan bias
Hasil dan Diskusi
Spektrum PC dari InAs/In metamorf yang dipelajarix Ga1 − x Karena struktur QD pada suhu kamar diberikan pada Gambar 3 bersama dengan pita PL, yang menunjukkan transisi optik antara keadaan dasar QD. Intensitas dan posisi relatif pita PL juga ditunjukkan pada Gambar 4b. Fitur karena QD, lapisan pembatas InGaAs, dan lapisan bawah GaAs diamati pada kurva PC. Sinyal arus foto pada energi di bawah onset pita PL dapat dikaitkan dengan cacat struktur yang terdeteksi sebelumnya [17].
Warna online. Spektrum PC dari metamorf InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur 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 sesuai dengan 88, 350, dan 1400 μW/cm
2
, masing-masing. Spektrum PL dalam unit arbitrer diberikan untuk posisi energi transisi keadaan dasar QD. Panah vertikal menandai celah pita InGaAs (εg ) dihitung mengikuti Paul et al. [48] dan posisi spektral, di mana dependensi PC pada intensitas eksitasi diukur (diberikan pada Gambar 5)
Warna online. Perhitungan pemodelan untuk metamorf InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur QD:a profil pita dalam struktur dengan x different yang berbeda sepanjang sumbu pertumbuhan; b pita QD PL nyata dan posisi puncaknya yang dihitung (vertikal putus-putus); dan c kerapatan probabilitas elektron dan lubang terbatas untuk InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai QD. Semua perhitungan struktur yang dimodelkan dilakukan untuk 300 K
Metamorf yang diselidiki InAs/In0,15 Ga0,85 Karena struktur QD ditemukan menjadi fotosensitif dalam rentang telekomunikasi pada 0,95 eV (1,3 μm) (Gbr. 3a). Sebagai x meningkat, pergeseran merah diamati untuk semua sampel:struktur dengan x = 0,31 ditemukan sensitif di dekat 0,8 eV (1,55 μm) (Gbr. 3d), yaitu, pada jendela telekomunikasi ketiga [47]. Pergeseran ini terkait dengan pengurangan ketidaksesuaian kisi antara bahan InAs QD dan Inx Ga1 − x Sebagai penyangga dengan peningkatan x dan, karenanya, penurunan regangan di QDs. Hal ini menyebabkan penyempitan celah pita QD InAs dan, pada gilirannya, pada pergeseran merah pita PL serta onset fotorespons terhadap IR [1,2,3,4,5,6, 19, 35].
Secara bersamaan, hanya sedikit penurunan sinyal arus foto QD yang direkam, sehingga memastikan pelestarian fotoresponsivitas yang baik, sebanding dengan In0,15 Ga0,75 Sebagai sampel. Seperti yang kita bahas baru-baru ini [5], struktur QD metamorf dengan x = 0,15 menunjukkan respons foto yang sangat mirip dengan struktur nano QD pseudomorfik InAs/GaAs. Juga, pengurangan PC berkorelasi dengan PL seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 3.
Efek seperti itu untuk sampel kami ternyata paling menonjol pada Gambar. 2, di mana I –V ketergantungan pada gelap dan di bawah iluminasi pada titik spektral karakteristik yang berbeda pada tegangan bias ditampilkan, bersama dengan ketergantungan arus foto di inset. Seperti pada Gambar. 3, nilai arus foto menyiratkan hanya bagian arus yang diinduksi foto yang diperoleh dari arus total di bawah penerangan dengan mengurangkan nilai arus gelap. Titik spektral ini adalah maksimum pita PL dan 1,3 eV, di mana terjadi penyerapan pita-ke-pita yang efektif dalam MB InGaAs. Begitu juga untuk I dark yang gelap –V karakteristik, dependensi ini seperti linier dalam kesalahan eksperimental.
Respon foto terbaik diukur dalam struktur dengan konten In minimal di lapisan pembatas. Itu juga memiliki arus gelap terendah. Nilai arus foto pada tingkat eksitasi yang diterapkan (350 μW/cm
2
) di InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai struktur dua sampai tiga kali di atas arus gelap ketika MB dipompa. Respon foto pada eksitasi QD sebanding dengan arus gelap; namun, harus dipertimbangkan bahwa struktur kami hanya memiliki satu lapisan QD. Pembuatan struktur QD berlapis-lapis 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; magnitudo yang terdeteksi pada kedua titik spektral kira-kira urutan lebih rendah dari nilai arus gelap dalam berbagai tegangan yang diterapkan. Respons foto terendah ditemukan untuk InAs/In0,31 Ga0,69 Sebagai struktur dengan konten MB In maksimal.
Kemungkinan besar, penurunan fotoresponsivitas ini terkait dengan peningkatan kepadatan cacat MB dengan x , yang ditentukan sebelumnya untuk struktur ini, menggunakan spektroskopi arus terstimulasi termal tingkat dalam [17], yang berkorelasi baik dengan analisis struktural struktur nano tersebut [1]. Kami telah melaporkan bahwa InAs/In0,15 Ga0,85 Karena struktur QD memiliki kepadatan cacat total yang dekat dengan lapisan QD yang sebanding dengan yang InGaAs/GaAs, sedangkan struktur lain dengan kandungan In yang lebih tinggi menunjukkan kepadatan cacat yang lebih tinggi seperti kompleks cacat titik terkait GaAs yang diketahui, EL2, EL6, EL7, EL9, dan EL10 di dekat lapisan QD dan tiga tingkat yang dikaitkan dengan cacat yang diperluas yang menyebar melalui buffer.
Berkenaan dengan bentuk spektrum (Gbr. 3), di atas eksitasi QD, penyerapan cahaya dan, karenanya, pembangkitan pembawa terjadi terutama di MB pada energi di atas celah pita lapisan pembatas InGaAs g , yang nilainya untuk x . yang berbeda diperkirakan dengan formula empiris [48]. Namun, perlu dicatat bahwa peningkatan energi foton di atas g menyebabkan sedikit penurunan respon foto. Secara alami, ini menegaskan bahwa QD metamorf, meskipun merupakan pusat rekombinasi yang efektif [1, 2, 12, 22], adalah kontributor yang lebih efisien untuk arus foto daripada MB [5, 6, 23].
Untuk memahami mekanisme PC dari kekhasan ini, kita harus melihat pada Gambar 4a, di mana kami menunjukkan profil pita QD yang dihitung di sepanjang arah pertumbuhan untuk sampel kami. Perhitungan divalidasi oleh hasil tingkat energi kuantum untuk elektron dan hole:energi emisi PL yang diharapkan sesuai dengan transisi keadaan dasar PL QD yang diukur secara eksperimental (Gbr. 4b). Pada Gambar. 4c, kami menunjukkan simulasi kepadatan probabilitas untuk elektron dan lubang terbatas, yang diperoleh dengan fungsi gelombang pembawa yang dihitung dengan modelisasi Tibercad, yang menunjukkan tingkat lokalisasi yang lebih tinggi untuk lubang berat dibandingkan dengan elektron.
Untuk berkontribusi pada sinyal arus foto, pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh penyerapan interband QD harus melepaskan diri dari QD melalui emisi termal. Dalam studi sebelumnya [49], ditetapkan bahwa dalam QDs metamorf elektron dan lubang berat melarikan diri secara bersamaan dari QDs sebagai pasangan berkorelasi. Selain itu, juga ditunjukkan bahwa energi aktivasi untuk proses tersebut sesuai dengan jumlah energi aktivasi untuk kedua partikel [50].
Saat mempelajari pendinginan termal emisi PL dari QD metamorf [10, 51], kami membuktikan bahwa energi aktivasi tersebut sama dengan jumlah jarak energi dari tingkat WL dan status QD dan beralih dari 250 meV untuk x = 0,15 turun hingga 150 meV untuk x =0,31. Seperti yang dibahas secara luas dalam Ref. [51], nilai-nilai ini menyebabkan pendinginan yang kuat dari emisi PL pada suhu kamar melalui pelepasan termal dari pembawa terbatas.
Atas dasar demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa pembawa yang tereksitasi dalam QD dapat secara termal lolos ke WL dan MB:di sana, elektron dan lubang berat dipisahkan oleh pita yang menekuk di sekitar QD (Gbr. 4a), yang mendorong lubang terperangkap kembali ke QD dan, sementara menjadi penghalang bagi elektron, dengan demikian secara efektif menekan rekombinasi radiasinya. Akibatnya, lubang berat terkonsentrasi di pinggiran QD (Gbr. 4c), sedangkan elektron bebas bergerak di sepanjang sumur potensial WL dan MB yang berkontribusi pada konduktivitas. Perlu dicatat bahwa dalam Ref. [49], dibahas bahwa, meskipun berkorelasi selama proses pelepasan, pembawa tidak dapat dianggap sebagai rangsangan pada suhu kamar; selanjutnya, mereka dapat dengan mudah dipisahkan oleh band yang menekuk di sekitar QD.
Jika tidak, ketika menarik MB, lubang non-ekuilibrium dihasilkan di lapisan pembatas dan bergabung kembali dengan elektron. Harus disebutkan di sini bahwa WL dikenal sebagai saluran konduktivitas untuk struktur nano berdasarkan GaAs [52] dan, dalam struktur lateral kami yang dirancang dengan kontak permukaan, tidak ada heterojungsi, sehingga pembawa dikumpulkan secara efisien di dekat bidang permukaan.
Pada 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 0,15 atau 0,31 masing-masing. Hal ini diduga disebabkan oleh penyerapan optik lebih dekat ke permukaan dan lapisan QD, sehingga melibatkan perangkap yang lebih dangkal. Sebagaimana ditetapkan untuk struktur ini dengan spektroskopi arus terstimulasi termal dan spektroskopi transien tingkat dalam [17, 18], perangkap elektron yang lebih dalam terletak terutama di lapisan MB InGaAs, sedangkan yang lebih dangkal terkonsentrasi di dekat permukaan (dalam kaitannya dengan sampel ini, dekat lapisan QD). Elektron yang terperangkap ke dalam perangkap yang lebih dangkal dapat lebih mudah lepas kembali ke pita konduksi pada suhu kamar. Dengan demikian, elektron bebas di dekat lapisan QD lebih mobile daripada yang tereksitasi lebih dalam di MB dan, karenanya, memberikan kontribusi yang lebih tinggi pada transfer muatan. Selanjutnya, elektron, yang dihasilkan di dekat permukaan, dapat dengan bebas berpindah ke saluran konduktivitas WL.
Penurunan serupa arus foto mengikuti peningkatan di atas celah pita GaAs (mendekati 1,4 eV) diamati. Efek ini mungkin disebabkan oleh generasi pembawa yang dekat dengan antarmuka InGaAs/GaAs, yang diketahui memiliki kepadatan lebih tinggi dari status cacat sebagai pusat jebakan dan rekombinasi.
Kontribusi relatif dari transisi optik yang berbeda ke struktur fotorespons bervariasi dengan intensitas pemompaan. Ini lebih baik diamati pada Gambar. 5, yang menunjukkan nilai arus foto sebagai fungsi dari intensitas eksitasi pada titik spektral karakteristik yang berbeda:permulaan pita PL (eksitasi resonansi dari ansambel QD) atau penyerapan pita-ke-pita yang efisien di InGaAs (1.3 eV) dan GaAs (1.5 eV).
Warna online. Arus foto vs intensitas eksitasi untuk InAs/Inx Ga1 − x Sebagai struktur dengan ax = 0,15 dan b 0.31. Garis sesuai dengan fungsi f (x ) ~ x
α
Struktur dengan konten In yang berbeda di lapisan pembatas menunjukkan ketergantungan yang sama pada rentang spektral yang setara. Jadi, eksitasi band-to-band di GaAs (1,5 eV) menunjukkan ketergantungan kuadrat pada sebagian besar nilai intensitas. Ini khas untuk rekombinasi band-to-band pembawa muatan non-kesetimbangan, misalnya ketika mereka sangat dominan di bawah pembawa kesetimbangan [53]:ini diharapkan dalam struktur kami yang tidak didoping. Ketergantungan dalam kasus eksitasi di lapisan pembatas QD dan InGaAs sangat mirip satu sama lain tetapi berbeda dari untuk GaAs. Mereka linier pada intensitas eksitasi rendah dan menjadi sublinier pada intensitas yang lebih tinggi. Perilaku ini jelas menunjukkan rekombinasi pembawa yang melibatkan pusat Shockley-Read:ketergantungan linier menjadi sublinier, karena beberapa pusat jenuh pada tingkat generasi pembawa yang lebih tinggi [54]. Hasil pengukuran yang bergantung pada intensitas ini dengan jelas menunjukkan generasi yang efisien dari pembawa muatan utama pada tingkat rekombinasi yang relatif rendah di lapisan penyematan QD dan kepadatan pusat rekombinasi yang jauh lebih tinggi di lapisan GaAs. Misalnya, selama eksitasi QD dalam karakterisasi serupa, struktur fotosensitif InGaAs/GaAs QD menunjukkan ketergantungan dari intensitas sebagai PC (Aku ) ~ Aku
0,25
, yang terjadi karena tingkat tinggi rekombinasi non-radiatif meskipun tingkat cacat bersama dengan rekombinasi radiasi QD [40, 55]. Namun, perlu diperhatikan bahwa struktur InGaAs/GaAs berlapis-lapis dengan tujuh lapisan QD.
Dari pengukuran ini dan interpretasinya, beberapa indikasi penggunaan QD metamorf untuk deteksi IR dapat disorot:(i) saat menggunakan x> 0,15, desain canggih yang memungkinkan untuk mengontrol cacat terkait regangan harus digunakan, mirip dengan apa yang dilakukan untuk pengembangan QD metamorf [19, 20, 37]; (ii) tumpukan multilayer QD (dengan minimal 10 lapisan) diperlukan untuk mendapatkan PC QD di atas arus gelap [27, 56]; dan (iii) karena pengekangan lubang berat yang lebih tinggi bermanfaat untuk arus foto yang diperoleh ketika QDs menarik, desain lanjutan dengan penghalang celah yang lebih tinggi untuk lubang berat dapat dipertimbangkan [51, 57]. Oleh karena itu, temuan ini dapat sangat berguna untuk desain QD metamorf yang ditujukan untuk deteksi IR dan pengembangan fotodetektor QD metamorf.
Kesimpulan
Sifat fotolistrik dari metamorf InAs/Inx Ga1 − x Karena struktur nano QD dipelajari pada suhu kamar, menggunakan spektroskopi PC dan PL, pengukuran listrik, dan simulasi model teoretis. Metamorf yang dipelajari InAs/Inx Ga1 − x Karena struktur nano QD ditemukan menjadi fotosensitif di jendela telekomunikasi pada 1,3 (x = 0,15) dan 1,55 μm (x =0,31). Namun, PC QD serta efisiensi PL dari struktur dengan konten In yang lebih tinggi dalam MB diperkirakan lebih rendah dan, bagaimanapun, sebanding dengan InAs/In0,15 Ga0,85 Sebagai struktur, yang memiliki sensitivitas mirip dengan struktur QD InGaAs/GaAs. Pengurangan fotoresponsivitas ini terkait dengan peningkatan kepadatan cacat MB dengan x . Juga, berkat perhitungan pemodelan, kami memberikan wawasan tentang mekanisme PC dalam jenis struktur QD yang diselidiki. Semua ini menyiratkan bahwa QD metamorf dengan x high yang tinggi adalah struktur yang valid untuk perangkat peka cahaya IR optoelektronik, asalkan beberapa poin perhatian ditangani dengan optimalisasi desain struktur nano.
