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Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Zusammenfassung

Photoelektrische Eigenschaften von metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs Quantenpunkt (QD) Nanostrukturen wurden bei Raumtemperatur untersucht, wobei Photoleitfähigkeit (PC) und Photolumineszenz-Spektroskopien, elektrische Messungen und theoretische Modellierung eingesetzt wurden. Vier Proben mit unterschiedlicher Stöchiometrie der InₓGa₁₋ₓAs Deckschicht wurden gezüchtet: Indiumgehalt x war 0,15, 0,24, 0,28 und 0,31. Die InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD-Struktur erwies sich als photosensitiv im Telekom-Bereich bei 1,3 µm. Mit zunehmendem x wurde für alle Proben ein Rotverschiebung beobachtet; die Struktur mit x = 0,31 war empfindlich nahe 1,55 µm, also im dritten Telekommunikationsfenster. Gleichzeitig wurde nur eine leichte Abnahme der QD-PC bei zunehmendem x festgestellt, was eine gute Photoresponse bestätigt, vergleichbar mit der von In₀.₁₅Ga₀.₇₅As Strukturen und GaAs-basierten QD-Nanostrukturen. Auch korreliert die PC-Reduktion mit ähnlicher Reduktion der Photolumineszenz-Intensität. Durch theoretische Simulation des Quantenenergiesystems und Trägerlokalisierung in QDs erhielten wir Einblick in den PC-Mechanismus und konnten Gründe für die Photostromreduktion benennen, indem wir sie mit dem eigentümlichen Verhalten von Defekten in solchen Strukturen assoziierten. All dies impliziert, dass metamorphe QDs mit hohem x valide Strukturen für optoelektronische infrarot-lichtempfindliche Bauelemente sind.

Hintergrund

Metamorphe InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Nanostrukturen haben in den letzten zehn Jahren viel Interesse geweckt aufgrund vieler Vorteile. Ihr attraktivstes Merkmal ist, dass man durch Züchtung der QDs auf einem InGaAs metamorphen Puffer (MB) eine signifikante Reduktion der Übergangsenergie zwischen den QD-Niveaus gegenüber konventionellen In(Ga)As/GaAs QD-Strukturen erreichen kann. Dies geschieht durch die Verringerung der InAs QD-Bandlücke als Folge der Gitterfehlanpassungsreduktion zwischen InAs QDs und InGaAs Puffer und somit der Spannung in den QDs. So ermöglicht die Anwendung eines MB als einschließendes Material, die Emissionswellenlänge tiefer in den Infrarot (IR) Bereich zu verschieben, insbesondere in die Telekommunikationsfenster bei 1,3 und 1,55 µm, während hohe Effizienz beibehalten wird. Weiterhin zeigten metamorphe QDs interessante Eigenschaften wie (i) hohe QD-Dichte, (ii) Möglichkeit, QD- und Benetzungsschicht (WL) Niveaus breit abzustimmen, und (iii) gute Leistung aktiver Elemente in Licht emittierenden Bauelementen. Allerdings zeigten jüngste Untersuchungen von Tiefenniveaus in metamorphen QDs, dass trotz InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD-Strukturen eine Gesamtdichte an Defekten nahe der QD-Schicht vergleichbar mit der von InGaAs/GaAs pseudomorphen QDs haben, metamorphe Strukturen mit höherem x höhere Defektdichten demonstrierten.

Metamorphe InAs QD-Strukturen fanden erfolgreiche Anwendungen im Design und der Fertigung von IR-photonischen und lichtempfindlichen Bauelementen, wie Lasern, Einzelphotonenquellen und Solarzellen. In(Ga)As QD-Photodetektoren basierend auf Interband- und Intersubband-Übergängen werden aktiv für verbesserte Detektion von Nah-IR bis Langwellen-IR untersucht aufgrund ihrer Antwort auf Bestrahlung bei normalem Einfall. Beispielsweise können Intersubband-Übergänge von Elektronen zwischen quantenkonfinierten Niveaus und Kontinuumszuständen durch Einbetten von InAs QDs in InGaAs Schichten designed werden, da dieses Design erlaubt, die Detektions-Peakwellenlänge abzustimmen, die Response durch extern angelegten Bias zu steuern und den Dunkelstrom zu reduzieren. Bis dato gibt es keine Arbeiten über die Implementierung metamorpher QD-Strukturen in Photodetektoren.

Die Schlüsselrolle für die Entwicklung dieses Bereichs ist die Erhaltung hoher Emissionseffizienz und Photosensitivität metamorpher QD-Strukturen, die mindestens vergleichbar mit denen konventioneller InAs/GaAs QD-Strukturen sein müssen. Viele Studien wurden in fundamentalen und anwendungsorientierten Feldern durchgeführt, um Strukturdesign zu entwickeln, photoelektrische Eigenschaften zu verbessern und spannungsbedingte Defekte in Heterostrukturen zu kontrollieren/zu reduzieren.

Daher sind InAs/InₓGa₁₋ₓAs metamorphe QD-Nanostrukturen interessante Nanostrukturen, die Emission oder Photoresponsivität in den 1,3- und 1,55-µm IR-Bereichen ermöglichen. Darüber hinaus berichteten wir früher, dass vertikale InAs/In₀.₁₅Ga₀.₇₅As QD-Strukturen Photosensitivität vergleichbar mit GaAs-basierten aufrechterhalten können. Solche metamorphen Strukturen werden jedoch selten in photoelektrischen Messungen mit lateraler Geometrie untersucht, wo der Photostrom durch In-Plane-Transport von Ladungsträgern über Kanäle zwischen zwei oberen Kontakten fließt. Üblicherweise bilden die QD-Schichten zusammen mit der assoziierten WL diese Leitfähigkeitskanäle in der lateralen Geometrie designten GaAs-basierten Strukturen. Aufgrund dieser eigentümlichen Leitfähigkeitsart wird QD-Photodetektoren mit lateralem Transport Potenzial für hohe Photoresponsivität zugeschrieben. Eine eingehende Studie metamorpher InAs/InGaAs QD-Nanostrukturen in lateraler Konfiguration kann fundamentales Wissen über den Photoleitfähigkeits (PC) Mechanismus und die Effizienz des In-Plane-Ladungsträgertransports liefern. In unserem jüngsten Papier zu Defekten in metamorphen QD-Strukturen berichteten wir laterale PC-Messungen bei niedrigen Temperaturen, wobei nur die IR-Spektralkanten von Defekten berücksichtigt wurden. Wir glauben jedoch, dass eine ordnungsgemäße Charakterisierung und fundamentale Untersuchung der Struktur bei Raumtemperatur wertvolle Einblicke für weitere Verbesserungen neuartiger lichtempfindlicher Bauelemente als Nah-IR-Photodetektoren, lineare Arrays und Kameramatrizen durch Implementierung metamorpher QDs geben kann.

In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir In-Plane-photoelektrische Eigenschaften metamorpher InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Nanostrukturen, gezüchtet durch Molekularstrahlepitaxie mit unterschiedlicher In-Zusammensetzung x, mittels PC und Photolumineszenz (PL) Spektroskopien, lateralen elektrischen Messungen und Modellierungsrechnungen. Insbesondere fokussierten wir auf die Beobachtung einer möglichen Rotverschiebung der QD-Schicht-Photoresponse Richtung IR jenseits 1,3 µm bei Erhaltung der Photosensitivität ähnlich für In₀.₁₅Ga₀.₈₅As und GaAs QD lichtempfindliche Strukturen. Hohe Photosensitivität im Nah-IR Wellenlängenbereich bei Raumtemperatur ist ein Indikator, dass diese Nanostrukturen nicht nur für Bauelemente basierend auf Interband-Übergängen, sondern auch für Intersubband-Photodetektoren jenseits 10 µm nützlich sein können.

Methoden

Probenpräparation und Beschreibung

Die untersuchten Strukturen, schematisch in Abb. 1 gezeigt, wurden durch Molekularstrahlepitaxie gezüchtet. Zunächst wurde ein halbisolierender (100) GaAs-Substrat mit einem 100-nm dicken GaAs-Puffer bei 600 °C bedeckt, gefolgt von der Abscheidung eines undotierten InGaAs MB von 500 nm Dicke bei 490 °C. Dann, nach einer vorherigen Wachstumsunterbrechung von 210 s zum Abkühlen des Substrats, wurden 3,0 MLs (Monolagen) InAs bei 460 °C gezüchtet. Schließlich wurden diese selbstassemblierten QDs von 20 nm undotiertem InₓGa₁₋ₓAs mit gleicher MB-Stöchiometrie abgedeckt. Vier Proben mit unterschiedlicher Stöchiometrie der InₓGa₁₋ₓAs Deckschicht wurden gefertigt: In-Gehalt x war 0,15, 0,24, 0,28 und 0,31.

Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Farbig online. Schema der metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Strukturen und ihrer Anschlüsse für photoelektrische Messungen.

Theoretische Modellierung

Für metamorphes Strukturdesign sowie Verständnis des Energieprofils wurden Berechnungen des Quantenenergiesystems, bestehend aus In(Ga)As QDs, undotiertem MB und Deckschicht, mit der Tibercad-Software [41] durchgeführt, die wir als adäquat zur Simulation optischer Eigenschaften von Halbleiter-Niedrigdimensionsnanostrukturen demonstrierten [2, 15, 42].

Wir betrachten einen InAs QD mit abgeschnitten kegelförmiger Form und Größen aus experimentellen Rasterkraftmikroskopie-Daten [14]; wir berücksichtigen die Präsenz von InAs WL, deren Parameter von den InₓGa₁₋ₓAs metamorphen Schichteigenschaften abhängen [15].

Zunächst werden Spannungsberechnungen für die Struktur durchgeführt, indem die Spannungstensor-Komponenten des QDs berechnet werden, induziert durch den Fehlanpassungsparameter f_QD zwischen QD und MB, definiert als

$$ {f}_{\mathrm{QD}}=\left[{a}_{\mathrm{InAs}} - {a}_{\mathrm{MB}}(x)\right]/{a}_{\mathrm{MB}}(x) $$ (1)

wobei a_MB(x) der Gitterparameter von InₓGa₁₋ₓAs MB und a_InAs der Gitterparameter von InAs ist. Dann hängen Bandprofile für QDs und einbettende Schichten von den Deformationspotentialen der relevanten Materialien ab (InAs für QDs und WLs und relaxiertes InGaAs für MB).

Schließlich wird die Schrödinger-Gleichung

$$ \boldsymbol{H}\psi = E\psi $$ (2)

in der Hüllfunktionsnäherung durch einen Einzelband-, effektiven-Massen-Ansatz für Elektronen und 6-Band k·p-Ansatz für Löcher gelöst, wobei der 3D-Hamiltonoperator ist

$$ \widehat{H}=-\frac{\hbar^2}{2}{\nabla}_{\mathbf{r}}\left(\frac{1}{m\left(E,\mathbf{r}\right)}\right){\nabla}_{\mathbf{r}}+V\left(\mathbf{r}\right), $$ (3)

mit V(r) als 3D-Potential.

Eine solche Näherung wird als befriedigend für QD-Grundzustandsberechnungen angesehen [2]. Grundniveaus für Elektronen und schwere Löcher werden somit erhalten, neben ihren Wahrscheinlichkeitsdichten. Photolumineszenz-Emissionsenergien wurden durch Energieunterschied zwischen konfinierten Niveaus für Elektronen und schwere Löcher abgeleitet, reduziert um 20 meV zur Berücksichtigung excitonischer Effekte.

Eine detailliertere Beschreibung der Modellberechnungen findet sich in Ref. [2].

Photoelektrische Charakterisierung

Für laterale photoelektrische Messungen wurden zwei InGa eutektische Oberflächenkontakte auf 5 × 2 mm Stücken der Strukturen aufgedampft. Gemessene lineare I-V-Kennlinien in Abb. 2 bestätigten die Ohmizität der Kontakte. Der durch die Proben fließende Strom wurde mit einem Siglent SDM3055 Multimeter gemessen, باستخدام Standard-DC-Technik [43, 44] als Spannungsabfall über einen Serienlastwiderstand R_L von 1 MΩ, der viel kleiner war als der Probenwiderstand. Photostrom wurde durch eine 250-W Halogenlampe, dispersiert mit einem Prismenmonochromator, angeregt, und PC-Spektren wurden im Bereich 0,6 bis 1,6 eV aufgezeichnet [44,45,46]. Die Spektren wurden auf die Anregungsquantenzahl der Lichtquelle normiert. PL-Spektren wurden mit einem 532-nm Laser als Anregungsquelle mit einer Leistungsdichte von 5 W/cm² erhalten. Alle Messungen erfolgten bei Raumtemperatur (300 K).

Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Farbig online. I-V-Kennlinien der InAs/InₓGa₁₋ₓAs Strukturen mit x = 0,15 (a), 0,24 (b), 0,28 (c) und 0,31 (d) für Dunkel (schwarz) und unter Beleuchtung von 350 µW/cm² (farbig) bei Energien des PL-Spektrumsmaximums (QD-Anregung) und 1,3 eV (effektive Absorption in InGaAs). Insets: Photostromabhängigkeiten von der Vorspannung.

Ergebnisse und Diskussion

PC-Spektren der untersuchten metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Strukturen bei Raumtemperatur sind in Abb. 3 zusammen mit den PL-Bändern gegeben, die die optischen Übergänge zwischen QD-Grundzuständen zeigen. Die relativen Intensitäten und Positionen der PL-Bänder sind auch in Abb. 4b gezeigt. Merkmale aufgrund der QDs, InGaAs einschließenden Schichten und GaAs Bodenschichten werden auf den PC-Kurven beobachtet. Der Photostromsignal bei Energien unterhalb der PL-Bandansätze könnte mit den früher detektierten Struktursdefekten zusammenhängen [17].

Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Farbig online. PC-Spektren der metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs Strukturen bei Raumtemperatur und einer Vorspannung von 11 V für x = 0,15 (a), 0,24 (b), 0,28 (c) und 0,31 (d). Die Anregungsintensitäten für die schwarzen, roten und blauen Kurven bei 1,3 eV entsprechen 88, 350 und 1400 µW/cm². PL-Spektren in willkürlichen Einheiten sind für die Energiepositionierung der QD-Grundzustandsübergänge gegeben. Die vertikalen Pfeile markieren die InGaAs-Bandlücken (ε_g) berechnet nach Paul et al. [48] und spektrale Positionen, wo die PC-Abhängigkeiten von der Anregungsintensität gemessen wurden (gegeben in Abb. 5).

Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Farbig online. Modellberechnungen für die metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Strukturen: a Bandprofile in den Strukturen mit verschiedenen x entlang der Wachstumsachse; b die echten QD-PL-Bänder und ihre berechneten Peakpositionen (gestrichelte Vertikale); und c Wahrscheinlichkeitsdichten der konfinen Elektronen und Löcher für InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD. Alle Berechnungen der modellierten Strukturen wurden für 300 K durchgeführt.

Die untersuchte metamorphe InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD-Struktur erwies sich als photosensitiv im Telekom-Bereich bei 0,95 eV (1,3 µm) (Abb. 3a). Mit zunehmendem x wurde eine Rotverschiebung für alle Proben beobachtet: die Struktur mit x = 0,31 war empfindlich nahe 0,8 eV (1,55 µm) (Abb. 3d), also im dritten Telekom-Fenster. Die Verschiebung hängt mit der Reduktion der Gitterfehlanpassung zwischen den Materialien von InAs QD und InₓGa₁₋ₓAs Puffer bei zunehmendem x zusammen und somit einer Abnahme der Spannung in den QDs. Dies führt zu einer Verengung der InAs QD-Bandlücke und wiederum zur Rotverschiebung der PL-Bande sowie des Photoresponse-Einsatzes Richtung IR.

Gleichzeitig wurde nur eine leichte Abnahme des QD-Photostromsignals registriert, was den Erhalt einer guten Photoresponsivität bestätigt, vergleichbar mit der der In₀.₁₅Ga₀.₇₅As Probe. Wie wir kürzlich diskutierten [5], zeigen metamorphe QD-Strukturen mit x = 0,15 eine Photoresponse sehr ähnlich denen pseudomorpher InAs/GaAs QD-Nanostrukturen. Auch korreliert die PC-Reduktion mit der PL-Reduktion, wie in Abb. 3 sichtbar.

Ein solcher Effekt für unsere Proben erwies sich als am deutlichsten in Abb. 2, wo die I-V-Abhängigkeiten im Dunkeln und unter Beleuchtung bei verschiedenen charakteristischen Spektralpunkten auf Vorspannung gezeigt werden, zusammen mit den Photostromabhängigkeiten in den Insets. Wie in Abb. 3 impliziert der Photostromwert nur den photoinduzierten Teil des Stroms, erhalten aus dem Gesamtstrom unter Beleuchtung durch Subtraktion des Dunkelstromwerts. Diese Spektralpunkte sind die PL-Bandmaximen und 1,3 eV, wo effektive Band-zu-Band-Absorption in InGaAs MB auftritt. Sowohl für die dunklen I-V-Kennlinien sind diese Abhängigkeiten linear-ähnlich innerhalb des experimentellen Fehlers.

Die beste Photoresponse wurde in der Struktur mit minimalem In-Gehalt in den einschließenden Schichten gemessen. Sie hatte auch den niedrigsten Dunkelstrom. Der Photostromwert bei angewendeter Anregungsebene (350 µW/cm²) in der InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As Struktur war zwei- bis dreimal über dem Dunkelstrom, wenn MB gepumpt wurde. Die Photoresponse bei QD-Anregung war vergleichbar mit dem Dunkelstrom; jedoch sollte berücksichtigt werden, dass unsere Strukturen nur eine QD-Schicht hatten. Fertigung von mehrschichtigen QD-Strukturen würde sicherlich zu einer signifikanten Erhöhung der IR-Photoresponse führen. Andere Strukturen mit höherem x zeigten niedrigere Photostromsignale; die detektierten Magnituden an beiden Spektralpunkten waren ungefähr eine Größenordnung niedriger als die Dunkelstromwerte in einem weiten Bereich der angewendeten Spannung. Die niedrigste Photoresponse fand sich für die InAs/In₀.₃₁Ga₀.₆₉As Struktur mit maximalem MB-In-Gehalt.

Wahrscheinlich ist diese Photoresponsivitätsabnahme auf eine Zunahme der MB-Defektdichte mit x zurückzuführen, die früher für diese Strukturen mittels tiefengradiger thermisch angeregter Stromspektroskopie [17] bestimmt wurde, was gut mit struktureller Analyse solcher Nanostrukturen [1] korrelierte. Wir berichteten, dass die InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD-Struktur eine Gesamtdichte an Defekten nahe der QD-Schicht vergleichbar mit InGaAs/GaAs aufwies, während andere Strukturen mit höheren In-Gehalten höhere Dichten an Defekten wie den bekannten GaAs-bezogenen Punktdefektkomplexen EL2, EL6, EL7, EL9 und EL10 nahe der QD-Schicht und drei Niveaus, die auf ausgedehnte Defekte zurückzuführen sind, die sich durch den Puffer ausbreiten, demonstrierten.

In Bezug auf die Spektralform (Abb. 3) fiel das PC-Signal gerade oberhalb ε_g in einen Anstieg bei höheren Energien, z. B. oberhalb 1,3 oder 1,1 eV für Proben mit x von 0,15 oder 0,31. Dies wurde vermutlich durch optische Absorption näher an der Oberfläche und QD-Schicht verursacht, wodurch flachere Fallen involviert wurden. Wie für diese Strukturen durch thermisch angeregte Stromspektroskopie und Deep Level Transient Spectroscopy [17, 18] etabliert, befinden sich tiefere Elektronenfallen hauptsächlich in der InGaAs MB-Schicht, während flachere nahe der Oberfläche konzentriert sind (in Bezug auf diese Proben, nahe der QD-Schicht). Elektronen, die in flachere Fallen gefangen sind, können bei Raumtemperatur leichter zurück in das Leitungsband entweichen. Daher sind freie Elektronen nahe der QD-Schicht mobiler als jene, die tiefer im MB angeregt werden, und geben daher einen höheren Beitrag zum Ladungstransfer. Weiterhin können Elektronen, die nahe der Oberfläche generiert werden, frei in den WL-Leitfähigkeitskanal übertragen.

Ein ähnlicher Photostromabfall nach Anstieg über die GaAs-Bandlücke (nahe 1,4 eV) wurde beobachtet. Dieser Effekt könnte auf Trägergeneration nahe der InGaAs/GaAs-Grenzfläche zurückzuführen sein, die bekanntlich eine höhere Dichte an Defektzuständen als Fallen und Rekombinationszentren aufweist.

Der relative Beitrag verschiedener optischer Übergänge zur Struktur-Photoresponse variierte mit der Pumpintensität. Dies ist besser in Abb. 5 beobachtbar, die Photostromwerte als Funktion der Anregungsintensität bei verschiedenen charakteristischen Spektralpunkten zeigt: dem Einsatz der PL-Bande (resonante Anregung des QD-Ensembles) oder effizienter Band-zu-Band-Absorption in InGaAs (1,3 eV) und GaAs (1,5 eV).

Verbesserte Telekom-Photoleitfähigkeit in metamorphen InAs/InGaAs Quantenpunkten (1,3–1,55 µm)

Farbig online. Photostrom vs Anregungsintensität für InAs/InₓGa₁₋ₓAs Strukturen mit a x = 0,15 und b 0,31. Die Linien sind die Anpassung durch Funktionen f(x) ~ x^α.

Strukturen mit unterschiedlichen In-Gehalten in den einschließenden Schichten demonstrierten ähnliche Abhängigkeiten bei äquivalenten Spektralbereichen. So zeigt die Band-zu-Band-Anregung in GaAs (1,5 eV) eine quadratische Abhängigkeit bei den meisten Intensitätswerten. Dies ist typisch für Band-zu-Band-Rekombination von Nichtgleichgewichts-Ladungsträgern, beispielsweise wenn sie unter den Gleichgewichtsträgern hochpredominant sind [53]: dies ist in unseren undotierten Strukturen erwartbar. Die Abhängigkeiten im Fall der Anregung in der QD- und InGaAs-einschließenden Schichten sind einander sehr ähnlich, aber anders als jene für GaAs. Sie sind linear bei niedrigen Anregungsintensitäten und werden sublinear bei höheren Intensitäten. Dieses Verhalten weist offensichtlich auf Trägerrekombination über Shockley-Read-Zentren hin: die lineare Abhängigkeit wird sublinear, da einige der Zentren bei höheren Trägergenerationsraten gesättigt sind [54]. Diese Ergebnisse intensitätsabhängiger Messungen deuten deutlich auf effiziente Generierung der Hauptladungsträger bei relativ niedriger Rekombinationsrate in QD-Einbettungsschichten und eine viel höhere Dichte an Rekombinationszentren in GaAs-Schichten hin. Beispielsweise zeigte während der QD-Anregung in ähnlichen Charakterisierungen InGaAs/GaAs QD-photosensitive Strukturen eine Abhängigkeit von der Intensität als PC(I) ~ I^0.25, was aufgrund einer hohen Rate nicht-strahlender Rekombination durch Defektniveaus neben QD-strahlender Rekombination auftrat [40, 55]. Es ist jedoch zu beachten, dass die InGaAs/GaAs Struktur mehrschichtig war mit sieben QD-Schichten.

Aus diesen Messungen und ihrer Interpretation können einige Hinweise für die Verwendung metamorpher QDs für IR-Detektion hervorgehoben werden: (i) bei Verwendung von x > 0,15 sollten fortschrittliche Designs verwendet werden, die spannungsbedingte Defekte kontrollieren, ähnlich wie bei der Entwicklung metamorpher QDs [19, 20, 37]; (ii) Mehrlagige QD-Stapel (mit mindestens 10 Schichten) sind notwendig, um einen QD-PC über dem Dunkelstrom zu erhalten [27, 56]; und (iii) da eine höhere Konfinierung schwerer Löcher vorteilhaft für den Photostrom bei QD-Anregung ist, könnten fortschrittliche Designs mit höherem Bandlücken-Barrieren für schwere Löcher in Betracht gezogen werden [51, 57]. Daher können diese Ergebnisse sehr nützlich für das Design metamorpher QDs zielend auf IR-Detektion und die Entwicklung metamorpher QD-Photodetektoren sein.

Fazit

Photoelektrische Eigenschaften der metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Nanostrukturen wurden bei Raumtemperatur untersucht, mittels PC und PL Spektroskopien, elektrischen Messungen und theoretischen Modellsimulationen. Die untersuchten metamorphen InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD-Nanostrukturen erwiesen sich als photosensitiv in den Telekommunikationsfenstern bei 1,3 µm (x = 0,15) und 1,55 µm (x = 0,31). Allerdings wurden die QD-PC sowie die PL-Effizienzen der Strukturen mit höheren In-Gehalten in MB als niedriger geschätzt und dennoch vergleichbar mit der der InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As Struktur, die Sensitivität ähnlich wie InGaAs/GaAs QD-Strukturen hat. Diese Photoresponsivitätsreduktion hängt mit einer Zunahme der MB-Defektdichte mit x zusammen. Auch dank Modellierungsberechnungen gaben wir Einblicke in den PC-Mechanismus in den untersuchten QD-Strukturtypen. All dies impliziert, dass metamorphe QDs mit hohem x valide Strukturen für optoelektronische IR-lichtempfindliche Bauelemente sind, vorausgesetzt, dass einige Bedenken durch Optimierung des Nanostruktur-Designs adressiert werden.

Abkürzungen

ε_g:

Bandlücke der InGaAs einschließenden Schicht

E_c und E_v:

Energie von Leitungs- und Valenzband

IR:

Infrarot

MB:

Metamorpher Puffer

ML:

Monolage

PC:

Photoleitfähigkeit

PL:

Photolumineszenz

QD:

Quantenpunkt

R_L:

Lastwiderstand

WL:

Benetzungsschicht

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