Настройка оптических свойств квантовых точек InAs интерслоями InAlAs в GaAsSb слоях снижения напряжения

Аннотация

В этом исследовании мы исследуем, как тонкие интерслои In₀.₁₅Al₀.₈₅As влияют на оптические свойства квантовых точек (КТ) InAs, покрытых слоем снижения напряжения (SRL) GaAs₀.₈₅Sb₀.₁₅. Используя высокоразрешающую рентгеновскую дифракцию (HRXRD) и фотолюминесценцию (ФЛ) при 77 К, мы сравниваем образцы с толщиной In₀.₁₅Al₀.₈₅As 20 Å, 40 Å и 60 Å с референсным без интерслоя. Тип II эмиссия, характерная для GaAsSb-покрытых InAs КТ, подавляется при наличии интерслоя. Слой 20 Å вызывает 52 мэВ синий сдвиг, в то время как слои 40–60 Å дают красный сдвиг из-за усиленного напряжения. Энергетическое разделение между основным и первым возбужденным состояниями растет до 106 мэВ для 60 Å интерслоя, а спектральная ширина сужается с 52 мэВ до 35 мэВ.

Введение

Самоорганизованные InAs/GaAs квантовые точки, образованные механизмом Сtransки-Крастанов, привлекли обширный исследовательский интерес благодаря их настраиваемым электронным и оптическим свойствам, лежащим в основе ряда оптоэлектронных устройств. При покрытии размер и форма КТ эволюционируют через перемешивание, сегрегацию и напряженно-усиленную диффузию. Чистый GaAs покрывающий слой ограничивает эмиссию длинами волн ниже 1300 нм; добавление слоев снижения напряжения (SRL) из (Ga, In)(As, Sb, N) расширяет эмиссию в C-диапазон. GaAsSb в частности предлагает настраиваемое выравнивание зон: изменяя содержание Sb, можно перейти от типа I к типу II, обеспечивая эмиссию за 1,5 мкм. Однако с GaAsSb SRL разделение между основным и возбужденным состояниями обычно остается всего 60–75 мэВ, что позволяет термически активированному убеганию носителей. Введение тонкого барьера между InAs КТ и GaAsSb может увеличить замыкание носителей и время жизни, как демонстрировали GaAs интерслои, улучшившие эффективность солнечных элементов на 23 %. InAlAs слои перспективны для инженерии радиативной рекомбинации; они могут увеличить разделение основного и возбужденного состояний и подавить перемешивание, тем самым улучшая производительность устройств. Предыдущая работа с композитными SRL InAlAs/InGaAs достигла разделения до 104 мэВ. Эта статья представляет первое систематическое исследование интерслоев In₀.₁₅Al₀.₈₅As на InAs/GaAs₀.₈₅Sb₀.₁₅ КТ, фокусируясь на длине волны эмиссии, типе рекомбинации, ширине линии и разделении состояний.

Методы

Образцы растили на эпи-готовых p-типе GaAs (001) подложках в системе Veeco Gen20A МЛЭ. As₂ и Sb₂ димеры поставлялись через клапанные трещины. После GaAs буфера при 590 °C подложку охлаждали до ~485 °C для роста 2,5 ML InAs КТ. 5-нм GaAs слой покрывал КТ перед поднятием температуры до 570 °C для 38-нм GaAs барьера. Толщина GaAsSb SRL фиксирована на 60 Å (15 % Sb), в то время как слой In₀.₁₅Al₀.₈₅As варировал от 0 до 60 Å по четырем образцам (A–D). Скорость роста для всех слоев составляла 0,5 ML/s. Выравнивание зон моделировалось по Krijn и параметрам в [20], и иллюстрировано на рис. 1.

Кристаллическое качество оценивали HRXRD на Panalytical дифрактометре. ФЛ измерения проводили при 77 К с 532-нм CW лазером и Bruker Vertex 80 FT-IR спектрометром с термоэлектрически охлажденным InGaAs детектором.

Результаты и обсуждение

Рокинг-кривые HRXRD (рис. 2a) показывают четкие сателлитные пики для всех образцов, подтверждая высокое кристаллическое качество. Симуляции дают среднее содержание Sb 13 % в референсном образце и содержание In 13,5 % в интерслоях, соответствующее номинальным значениям.

Референсный образец (A) показывает три гауссовых пика при 1004 мэВ, 1068 мэВ и 1113 мэВ, соответствующие основному и первому возбужденным состояниям. FWHM основного состояния 52 мэВ, возбужденного — 58 мэВ. Мощностно-зависимые измерения (рис. 2c) показывают, что энергия фундаментального перехода уменьшается с уменьшением возбуждающей мощности, характерно для типа II рекомбинации (электроны в КТ, дырки в GaAsSb КЯ). Первый возбужденный переход ведет себя аналогично, указывая на электроно-дырочные пары, локализованные в КТ. Энергетическое разделение ΔE остается ~64 мэВ по мощностям, подтверждая перпендикулярное электрическое поле от накопления заряда.

Рис. 3a показывает полосные профили образца A и модифицированные профили для образцов B–D. Вставка In₀.₁₅Al₀.₈₅As изменяет как замыкание, так и напряжение. Для 20 Å слоя (образец B) пик основного состояния смещается к 1056 мэВ (52 мэВ синий сдвиг) и FWHM уменьшается до 39 мэВ. ΔE увеличивается до 92 мэВ. Более толстые слои (40–60 Å) дают красный сдвиг; образец D показывает основное состояние при 962 мэВ, FWHM 35 мэВ и ΔE 106 мэВ. Эти изменения отражают конкуренцию между усиленным замыканием (синий) и напряженно-индуцированными сдвигами краев зон (красный).

ФЛ интенсивности увеличиваются для B и C относительно A, но падают в 5 раз для D. Более толстый InAlAs слой препятствует туннелированию носителей из GaAsSb в КТ, способствуя типу I рекомбинации внутри КТ и уменьшая тип II эмиссию. Третий ФЛ пик, появляющийся при более высоких энергиях, растет с толщиной интерслоя, подтверждая переход к типу II рекомбинации (электрон в GaAs, дырка в GaAsSb). Это поведение согласуется с подавленным перекрытием волновых функций электрона и дырки из-за барьера.

В целом, InAlAs интерслой предоставляет универсальный инструмент: 20 Å слой дает короткоживущий тип I излучатель с большим ΔE и узкой линией; более толстые слои позволяют более долгоживущую тип II эмиссию, подходящую для таких применений, как квантовые точечные лазеры или фотодетекторы.

Заключение

InAs КТ, покрытые композитными In₀.₁₅Al₀.₈₅As/GaAs₀.₈₅Sb₀.₁₅ SRL, демонстрируют настраиваемые оптические свойства, управляемые толщиной InAlAs интерслоя. Интерслой подавляет тип II эмиссию, вызывает 52 мэВ синий сдвиг при 20 Å и красный сдвиг для ≥40 Å, и расширяет разделение основного и первого возбужденного состояний до 106 мэВ (образец D). Спектральная ширина сужается с 52 мэВ до 35 мэВ, подчеркивая сниженное перемешивание и улучшенную равномерность размера. Эти находки демонстрируют, что стратегическая инженерия интерслоя может адаптировать КТ эмиссию для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

PL:

Фотолюминесценция

QDs:

Квантовые точки

QW:

Квантовая яма

SRLs:

Слои снижения напряжения