Fotoconductividad entre bandas de puntos cuánticos de InAs / InGaAs metamórficos en la ventana de 1,3 a 1,55 μm

Colorea online. Cálculos de modelado para los InAs / In _{x metamórficos} Ga _{1 - x} Como estructuras QD: a perfiles de banda en las estructuras con diferentes x a lo largo del eje de crecimiento; b las bandas reales de QD PL y sus posiciones pico calculadas (verticales discontinuas); y c densidades de probabilidad de los electrones confinados y huecos para el InAs / In _0.15 Ga _0,85 Como QD. Todos los cálculos de estructuras modeladas se realizaron para 300 K

Los InAs / In _0.15 metamórficos investigados Ga _0,85 Como se descubrió que la estructura QD era fotosensible en el rango de las telecomunicaciones a 0,95 eV (1,3 μm) (Fig. 3a). Como x aumentado, se observó un corrimiento al rojo para todas las muestras:la estructura con x =0,31 resultó ser sensible cerca de 0,8 eV (1,55 μm) (Fig. 3d), es decir, en la tercera ventana de telecomunicaciones [47]. El cambio está relacionado con la reducción del desajuste de la red entre los materiales de InAs QD e In _x Ga _{1 - x} Como búfer con un aumento en x y, por tanto, una disminución de la deformación en QD. Esto conduce a un estrechamiento de la banda prohibida de InAs QD y, a su vez, al desplazamiento al rojo de la banda PL, así como al inicio de la fotorrespuesta hacia IR [1,2,3,4,5,6, 19, 35].

Simultáneamente, solo se registró una leve disminución en la señal de fotocorriente QD, lo que confirma la preservación de una buena fotorrespuesta, comparable con la de In _0.15 Ga _0,75 Como muestra. Como comentamos recientemente [5], las estructuras QD metamórficas con x =0,15 muestran una fotorrespuesta muy similar a la de las nanoestructuras pseudomórficas de InAs / GaAs QD. Además, la reducción de PC se correlaciona con la de PL como se puede ver en la Fig. 3.

Tal efecto para nuestras muestras resultó ser más notable en la Fig.2, donde el I - V Se muestran las dependencias en la oscuridad y bajo iluminación en diferentes puntos espectrales característicos de la tensión de polarización, junto con las dependencias de la fotocorriente en las inserciones. Como en la Fig. 3, el valor de la fotocorriente implica solo la parte fotoinducida de la corriente obtenida de la corriente total bajo iluminación restando el valor de la corriente oscura. Estos puntos espectrales son los máximos de la banda PL y 1.3 eV, donde ocurre una absorción banda a banda efectiva en InGaAs MB. Así como para el yo oscuro - V características, estas dependencias son lineales dentro del error experimental.

La mejor fotorrespuesta se midió en la estructura con el mínimo contenido de In en las capas de confinamiento. También tenía la corriente oscura más baja. El valor de fotocorriente al nivel de excitación aplicado (350 μW / cm ² ) en InAs / In _0.15 Ga _0,85 La estructura estaba dos o tres veces por encima de la corriente oscura cuando se bombeó MB. La fotorrespuesta en la excitación QD fue comparable a la corriente oscura; sin embargo, debe tenerse en cuenta que nuestras estructuras solo tenían una capa QD. La fabricación de las estructuras QD multicapa seguramente conduciría a un aumento significativo en la fotorrespuesta IR. Otras estructuras con x más alto reveló señales de fotocorriente más bajas; las magnitudes detectadas en ambos puntos espectrales fueron aproximadamente un orden más bajo que los valores de la corriente oscura en un amplio rango de voltaje aplicado. La respuesta fotográfica más baja se encontró para InAs / In _0.31 Ga _0,69 Como estructura con el contenido máximo de MB en.

Lo más probable es que esta disminución de la fotorreactividad esté relacionada con un aumento en la densidad de defectos de MB con x , que se determinó anteriormente para estas estructuras, empleando espectroscopía de corriente estimulada térmicamente de nivel profundo [17], que se correlacionó bien con el análisis estructural de tales nanoestructuras [1]. Hemos informado que el InAs / In _0.15 Ga _0,85 Como la estructura QD tenía una densidad de defectos total cercana a la capa QD comparable a las de InGaAs / GaAs, mientras que otras estructuras con mayor contenido de In demostraron mayores densidades de defectos como los conocidos complejos de defectos puntuales relacionados con GaAs EL2, EL6, EL7, EL9 y EL10 cerca de la capa QD y tres niveles atribuidos a defectos extendidos que se propagan a través del búfer.

Con respecto a la forma del espectro (Fig.3), por encima de la excitación QD, la absorción de luz y, por lo tanto, la generación de portadores ocurren principalmente en el MB a energías por encima de la banda prohibida de la capa de confinamiento de InGaAs ε _g , cuyos valores para diferentes x se estimaron mediante una fórmula empírica [48]. Sin embargo, es digno de mención que un aumento en la energía de los fotones por encima de ε _g conduce a una ligera disminución de la fotorrespuesta. Naturalmente, esto confirma que los QD metamórficos, a pesar de ser centros de recombinación efectivos [1, 2, 12, 22], son contribuyentes más eficientes a la fotocorriente que MB [5, 6, 23].

Para comprender el mecanismo de PC de esta peculiaridad, uno debe mirar la Fig. 4a, donde mostramos los perfiles de banda QD calculados a lo largo de la dirección de crecimiento para nuestras muestras. Los cálculos son validados por el resultado de los niveles de energía cuántica para electrones y huecos:las energías de emisión PL esperadas están de acuerdo con la transición del estado fundamental PL QD medida experimentalmente (Fig. 4b). En la Fig. 4c, mostramos las densidades de probabilidad simuladas para electrones y huecos confinados, obtenidas por las funciones de onda portadora calculadas con la modelización de Tibercad, que indican un mayor nivel de localización para huecos pesados ​​en comparación con los electrones.

Para contribuir a la señal de fotocorriente, los pares de agujeros de electrones generados por la absorción interbanda QD tienen que escapar de los QD por emisión térmica. En un estudio anterior [49], se estableció que en las QD metamórficas, los electrones y los huecos pesados ​​escapan simultáneamente de las QD como pares correlacionados. Además, también se demostró que la energía de activación de dicho proceso corresponde a la suma de las energías de activación de las dos partículas [50].

Mientras estudiamos la extinción térmica de la emisión de PL a partir de QD metamórficos [10, 51], demostramos que tales energías de activación son iguales a la suma de la distancia de energía desde los niveles de WL y los estados de QD y van desde 250 meV para x =0,15 hasta 150 meV para x =0,31. Como se discutió ampliamente en la Ref. [51], estos valores provocan una fuerte extinción de la emisión de PL a temperatura ambiente a través del escape térmico de los portadores confinados.

Sobre esta base, podemos inferir que los portadores excitados en QD pueden escapar térmicamente a WL y MB:allí, los electrones y los agujeros pesados ​​están separados por la curvatura de la banda en la vecindad de QD (Fig. 4a), lo que promueve que el agujero vuelva a atraparse en QD. y, aunque es una barrera para los electrones, suprime eficazmente su recombinación radiativa. Como consecuencia, los agujeros pesados ​​se concentran en la periferia QD (Fig. 4c), mientras que los electrones son libres de moverse a lo largo del pozo potencial de WL y MB contribuyendo a la conductividad. Vale la pena señalar que en la Ref. [49], se discute que, aunque correlacionados durante el proceso de escape, los portadores no pueden considerarse como excitones a temperatura ambiente; de ahora en adelante, pueden separarse fácilmente mediante la flexión de la banda en las proximidades de los QD.

De lo contrario, al excitar el MB, se generan huecos de no equilibrio en las capas de confinamiento y se recombinan con los electrones. Cabe mencionar aquí que se sabe que el WL es un canal de conductividad para nanoestructuras basadas en GaAs [52] y, en nuestras estructuras laterales diseñadas con contactos de superficie, no hay heterounión, por lo que los portadores se recolectan de manera eficiente cerca del plano de superficie.

En la Fig.3, la caída de la señal de PC justo por encima de ε _g se convirtió en un aumento a energías más altas, por ejemplo, por encima de 1.3 o 1.1 eV para la muestra con x de 0,15 o 0,31, respectivamente. Esto fue posiblemente causado por la absorción óptica más cercana a la superficie y la capa QD, involucrando así trampas menos profundas. Como se estableció para estas estructuras mediante espectroscopía de corriente estimulada térmicamente y espectroscopía transitoria de nivel profundo [17, 18], las trampas de electrones más profundas se encuentran principalmente en la capa MB de InGaAs, mientras que las menos profundas se concentran cerca de la superficie (en relación con estas muestras, cerca de la capa QD). Los electrones atrapados en las trampas menos profundas pueden escapar más fácilmente de regreso a la banda de conducción a temperatura ambiente. Por lo tanto, los electrones libres cerca de la capa QD son más móviles que los excitados más profundamente en la MB y, por lo tanto, dan una mayor contribución a la transferencia de carga. Además, los electrones, que se generan cerca de la superficie, pueden transferirse libremente al canal de conductividad WL.

Se observó una caída similar de la fotocorriente después de un aumento por encima de la banda prohibida de GaAs (cerca de 1,4 eV). Este efecto podría deberse a la generación de portadores cerca de la interfaz InGaAs / GaAs, que se sabe que tiene una mayor densidad de estados de defecto que son trampas y centros de recombinación.

La contribución relativa de las diferentes transiciones ópticas a la fotorrespuesta de la estructura varió con la intensidad de bombeo. Esto se observa mejor en la Fig.5, que muestra valores de fotocorriente en función de la intensidad de excitación en diferentes puntos espectrales característicos:el inicio de la banda PL (excitación resonante del conjunto QD) o la absorción banda a banda eficiente en InGaAs (1,3 eV) y GaAs (1,5 eV).

Colorea online. Fotocorriente frente a intensidad de excitación para InAs / In _x Ga _{1 - x} Como estructuras con a x =0,15 y b 0,31. Las líneas son el ajuste por funciones f ( x ) ~ x ^α

Las estructuras con diferentes contenidos de In en las capas de confinamiento demostraron dependencias similares en rangos espectrales equivalentes. Entonces, la excitación de banda a banda en GaAs (1.5 eV) muestra una dependencia cuadrática en la mayoría de los valores de intensidad. Esto es típico de la recombinación banda a banda de portadores de carga que no están en equilibrio, por ejemplo, cuando son muy predominantes bajo los portadores de equilibrio [53]:esto es de esperar en nuestras estructuras no dopadas. Las dependencias en el caso de la excitación en las capas de confinamiento de QD e InGaAs son muy similares entre sí pero diferentes de las de GaAs. Son lineales a bajas intensidades de excitación y se vuelven sublineales a intensidades más altas. Este comportamiento obviamente apunta a la recombinación de portadoras que involucra centros de Shockley-Read:la dependencia lineal se vuelve sublineal, ya que algunos de los centros están saturados a tasas de generación de portadoras más altas [54]. Estos resultados de las mediciones dependientes de la intensidad indican claramente una generación eficiente de portadores de carga principales a una tasa de recombinación relativamente baja en las capas de inclusión QD y una densidad mucho mayor de centros de recombinación en las capas de GaAs. Por ejemplo, durante la excitación QD en caracterizaciones similares, las estructuras fotosensibles de InGaAs / GaAs QD mostraron una dependencia de la intensidad como PC ( Yo ) ~ Yo ^0,25 , que se produjo debido a una alta tasa de recombinación no radiativa a través de niveles de defecto junto con la recombinación radiativa QD [40, 55]. Sin embargo, vale la pena notar que la estructura de InGaAs / GaAs era multicapa y tenía siete capas QD.

A partir de estas mediciones y su interpretación, se pueden destacar algunas indicaciones para el uso de QD metamórficas para la detección de IR:(i) cuando se usa x > 0.15, se deben utilizar diseños avanzados que permitan controlar los defectos relacionados con la deformación, similar a lo que se hizo para el desarrollo de QD metamórficas [19, 20, 37]; (ii) se necesitan pilas multicapa de QD (con un mínimo de 10 capas) para obtener una PC QD por encima de la corriente oscura [27, 56]; y (iii) como un mayor confinamiento de agujeros pesados ​​es beneficioso para la fotocorriente obtenida cuando se excitan los QD, se podrían considerar diseños avanzados con barreras de mayor espacio para agujeros pesados ​​[51, 57]. Por lo tanto, estos hallazgos pueden ser muy útiles para el diseño de QD metamórficas que tengan como objetivo la detección de IR y el desarrollo de fotodetectores QD metamórficos.

Conclusiones

Propiedades fotoeléctricas de los InAs / In _{x metamórficos} Ga _{1 - x} Como las nanoestructuras QD se estudiaron a temperatura ambiente, empleando espectroscopias de PC y PL, medidas eléctricas y simulaciones de modelos teóricos. Los InAs / In _{x metamórficos estudiados} Ga _{1 - x} Como se descubrió que las nanoestructuras QD eran fotosensibles en las ventanas de telecomunicaciones a 1,3 ( x =0,15) y 1,55 μm ( x =0,31). Sin embargo, se estimó que las eficiencias QD PC y PL de las estructuras con mayor contenido de In en MB eran menores y, no obstante, comparables a las de InAs / In _0.15 Ga _0,85 Como estructura, que tiene una sensibilidad similar a las estructuras QD de InGaAs / GaAs. Esta reducción de la fotorrespuesta está relacionada con un aumento en la densidad de defectos de MB con x . Además, gracias a los cálculos de modelado, proporcionamos información sobre el mecanismo de PC en el tipo investigado de estructuras QD. Todo esto implica que las QD metamórficas con un x alto son estructuras válidas para dispositivos optoelectrónicos IR sensibles a la luz, siempre que algunos puntos de interés se aborden mediante la optimización del diseño de la nanoestructura.

Abreviaturas

ε _g :

Bandgap de la capa de confinamiento de InGaAs

E _c y E _v :

Energía de conductividad y bandas de valencia

IR:

Infrarrojos

MB:

Tampón metamórfico

ML:

Monocapa

PC:

Fotoconductividad

PL:

Fotoluminiscencia

QD:

Punto cuántico

R _L :

La resistencia de carga

WL:

Capa humectante

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