Menyesuaikan Sifat Optik Titik Kuantum InAs dengan Interlayer InAlAs pada Lapisan Mengurangi Tekan GaAsSb
Abstrak
Dalam studi ini kami menyelidiki bagaimana interlayer tipis In0.15Al0.85As mempengaruhi perilaku optik titik kuantum (QD) InAs yang dicap dengan lapisan mengurangi tekan (SRL) GaAs0.85Sb0.15. Menggunakan difraksi sinar X resolusi tinggi (HRXRD) dan spektroskopi fotoluminesensi (PL) 77 K, kami membandingkan sampel dengan ketebalan interlayer In0.15Al0.85As 20 Å, 40 Å, dan 60 Å dengan referensi tanpa interlayer. Karakteristik emisi tipe II dari QD InAs dicap GaAsSb ditekan ketika interlayer ada. Lapisan 20 Å menginduksi perpindahan biru 52 meV, sementara lapisan 40–60 Å menghasilkan perpindahan merah karena tekan yang ditingkatkan. Pemisahan energi antara keadaan dasar dan keadaan pertama tertinggi tumbuh menjadi 106 meV untuk interlayer 60 Å, dan lebar garis spektrum menyempit dari 52 meV menjadi 35 meV.
Latar Belakang
Titik kuantum InAs/GaAs yang tersusun sendiri, yang dibentuk oleh mekanisme Stranski–Krastanov, telah menarik minat penelitian yang luas karena sifat elektronik dan optik yang dapat diatur, yang mendasari berbagai perangtok optoelektronik [1]. Saat capping, ukuran dan bentuk QD berevolusi melalui campuran, segregasi, dan difusi yang ditingkatkan tekan [2]. Lapisi capping GaAs murni membatasi emisi ke panjang gelombang di bawah 1300 nm; menambahkan lapisan mengurangi tekan (SRL) yang terdiri dari (Ga, In)(As, Sb, N) memperpanjang emisi ke C-band [3–7]. GaAsSb, khususnya, menawarkan penyelarasan band yang dapat diatur: dengan menyesuaikan konten Sb, ia dapat bertransisi dari tipe I ke tipe II, memungkinkan emisi di luar 1,5 µm [8–10]. Namun, dengan SRL GaAsSb pemisahan keadaan dasar-keadaan pertama biasanya hanya 60–75 meV, yang memungkinkan pelarian aktif termal pembawa muatan [11]. Memperkenalkan barier tipis antara QD InAs dan GaAsSb dapat meningkatkan pembatasan pembawa dan umur, seperti yang ditunjukkan oleh interlayer GaAs yang meningkatkan efisiensi sel surya sebesar 23% [12]. Lapisan InAlAs menjanjikan untuk merakit radiasi rekombinasi; ia dapat meningkatkan pemisahan keadaan dasar-keadaan pertama dan menekan campuran, sehingga meningkatkan kinerja perangtok [13–17]. Pekerjaan sebelumnya dengan SRL komposit InAlAs/InGaAs mencapai pemisahan hingga 104 meV [16, 18]. Paper ini menyajikan studi sistematis pertama interlayer In0.15Al0.85As pada QD InAs/GaAs0.85Sb0.15, berfokus pada panjang gelombang emisi, tipe rekombinasi, lebar garis, dan pemisahan keadaan.
Metode
Sampel ditumbuhkan pada substrat GaAs (001) tipe p siap epi dalam sistem MBE Veeco Gen20A. Dimer As2 dan Sb2 disediakan melalui retakan katup. Setelah buffer GaAs pada 590 °C, substrat didinginkan ke sekitar 485 °C untuk menumbuhkan 2,5 ML QD InAs. Lapisan GaAs 5 nm mencap QD sebelum suhu ditingkatkan ke 570 °C untuk barier GaAs 38-nm. Ketebalan SRL GaAsSb ditetapkan pada 60 Å (15 % Sb) sementara lapisan In0.15Al0.85As bervariasi dari 0 hingga 60 Å di empat sampel (A–D). Laju pertumbuhan untuk semua lapisan adalah 0,5 ML s−1. Penyelarasan band dimodelkan mengikuti Krijn [19] dan parameter dalam [20], dan diilustrasikan dalam Gambar 1.
Skema struktur yang ditumbuhkan dan diagram energi band yang sesuai dari QD InAs dicap dengan komposit In0.15Al0.85As/GaAs0.85Sb0.15. Ketebalan In0.15Al0.85As t = 0 Å, 20 Å, 40 Å, dan 60 Å untuk sampel A, B, C, dan D, masing-masing.
Kualitas kristal dinilai dengan HRXRD pada difraktometer Panalytical. Pengukuran PL dilakukan pada 77 K dengan laser CW 532-nm dan spektrometer FT-IR Bruker Vertex 80 yang dilengkapi detektor InGaAs pendingin termolistrik [21].
Hasil dan Pembahasan
Gelincir rocking HRXRD (Gambar 2a) mengungkapkan puncak satelit yang jelas untuk semua sampel, mengonfirmasi kualitas kristal yang tinggi. Simulasi menghasilkan rata-rata konten Sb 13 % dalam sampel referensi dan konten In 13,5 % dalam interlayer, sesuai dengan nilai nominal.
a Skanning ω/2θ resolusi tinggi untuk sampel A–D. b Spektrum PL sampel A pada 77 K, 100 mW. c PL bergantung daya sampel A. d Energi puncak versus Pex1/3 untuk dua transisi pertama.
Sampel referensi (A) menunjukkan tiga puncak Gaussian pada 1004 meV, 1068 meV, dan 1113 meV, yang sesuai dengan keadaan dasar dan keadaan pertama tertinggi. FWHM keadaan dasar adalah 52 meV, sementara keadaan pertama tertinggi adalah 58 meV. Pengukuran bergantung daya (Gambar 2c) menunjukkan bahwa energi transisi dasar menurun seiring menurunnya daya eksitasi, yang merupakan ciri khas rekombinasi tipe II (elektron dalam QD, lubang dalam QW GaAsSb). Transisi pertama tertinggi berperilaku serupa, menunjukkan pasangan elektron-lubang yang dilokalkan dalam QD. Pemisahan energi ΔE tetap sekitar 64 meV di seluruh daya, mengonfirmasi medan listrik tegak dari pembentukan muatan.
Gambar 3a menunjukkan profil band sampel A dan profil yang dimodifikasi untuk sampel B–D. Pemasukan In0.15Al0.85As mengubah baik pembatasan maupun tekan. Untuk lapisan 20 Å (sampel B), puncak keadaan dasar bergeser ke 1056 meV (perpindahan biru 52 meV) dan FWHM menyempit menjadi 39 meV. ΔE meningkat menjadi 92 meV. Lapisan yang lebih tebal (40–60 Å) menghasilkan perpindahan merah; sampel D menunjukkan keadaan dasar pada 962 meV, FWHM 35 meV, dan ΔE 106 meV. Perubahan ini mencerminkan kompetisi antara pembatasan yang ditingkatkan (biru) dan pergeseran tepi band yang diinduksi tekan (merah).
Intensitas PL meningkat untuk B dan C relatif terhadap A, namun menurun sebesar faktor lima untuk D. Lapisan InAlAs yang lebih tebal menghambat tunneling pembawa dari GaAsSb ke QD, mendukung rekombinasi tipe I dalam QD dan mengurangi emisi tipe II. Puncak PL ketiga, yang muncul pada energi lebih tinggi, tumbuh seiring ketebalan interlayer, mengonfirmasi transisi ke rekombinasi tipe II (elektron dalam GaAs, lubang dalam GaAsSb). Perilaku ini sesuai dengan overlap yang ditekan dari fungsi gelombang elektron dan lubang karena barier.
Secara keseluruhan, interlayer InAlAs menyediakan alat serbaguna: lapisan 20 Å menghasilkan pemancar tipe I berumur pendek dengan ΔE besar dan lebar garis sempit; lapisan yang lebih tebal memungkinkan emisi tipe II berumur panjang yang cocok untuk aplikasi seperti laser titik kuantum atau fotodetektor.
Kesimpulan
QD InAs dicap dengan komposit In0.15Al0.85As/GaAs0.85Sb0.15 SRL menunjukkan sifat optik yang dapat diatur yang didorong oleh ketebalan interlayer InAlAs. Interlayer menekan emisi tipe II, menginduksi perpindahan biru 52 meV pada 20 Å dan perpindahan merah untuk ≥40 Å, dan memperluas pemisahan keadaan dasar-keadaan pertama tertinggi menjadi 106 meV (sampel D). Lebar garis spektrum menyempit dari 52 meV menjadi 35 meV, menyoroti campuran yang dikurangi dan keseragaman ukuran yang ditingkatkan. Temuan ini menunjukkan bahwa rekayasa interlayer strategis dapat menyesuaikan emisi QD untuk perangtok optoelektronik berkinerja tinggi.
