InGaAs / GaAs表面量子ドットのフォトルミネッセンス特性に及ぼす温度と励起強度の相互作用効果

はじめに

自己組織化In（Ga）As / GaAs半導体量子ドット（QD）は、その独特の物理的特性と幅広い潜在的用途により、1992年以来幅広い研究関心を集めてきました[1、2]。一般に、自己組織化In（Ga）As半導体QDはGaAs基板上で成長し、続いてGaAsマトリックスに埋め込まれ（埋め込みQD、またはBQD）、QD内のキャリアの波動関数をすべての次元に閉じ込めます。 GaAsからIn（Ga）Asバンドへのオフセット。このようなIn（Ga）As / GaAs BQDは、レーザー、検出器、変調器、光起電、メモリーセルなどの多くのデバイスの活性領域材料として広く適用されています[3,4,5,6,7]。

In（Ga）As QDがGaAsキャッピング層なしでGaAs表面（表面QD、またはSQD）に残され、空気に直接さらされると、成長方向の波動関数の閉じ込めは、空気と周囲の環境。その結果、それらの光学的および電子的挙動は、その環境の変動に非常に敏感になります[8、9、10、11]。このような表面に敏感な特性は、SQD構造がセンサーアプリケーションで重要な役割を果たす可能性があることを示しています[12、13、14、15]。たとえば、自己組織化InGaAsSQDに基づく高感度湿度センサーが提案されています[16]。

このような表面に敏感な検出システムを実現するには、これらのIn（Ga）AsSQD構造の光学および輸送性能を支配する根本的な物理的メカニズムを調査する必要があります。以前、InGaAs SQDとのハイブリッド構造を研究し、フォトルミネッセンス（PL）測定によって表面準位とSQD間のキャリア移動プロセスを明らかにしました[17]。この作業では、厚いGaAsスペーサーによってInGaAsBQD層から分離されたInGaAsSQDを備えた複合ナノ構造の光学性能をさらに調査しますが、さまざまな成長温度を使用してさまざまなSQD表面密度を制御します。このようなSQDは、表面の形態に応じて、BQDとは異なる動作をします。特に、505°Cで成長したSQDのPLスペクトルは、励起強度と温度に関して注意深く研究されています。結果は、表面状態とSQDの間の相互作用が、温度と励起強度に強く依存することを示しています。

メソッド

固体源VEECOGen-930分子線エピタキシー（MBE）により、GaAs（001）半絶縁性基板上に5つのサンプルを成長させました。図1aに示すように、酸化物層の脱離と580°Cでの200 nm GaAsバッファーの成長後、基板温度は475°C、490°C、505°C、525°C、または535に低下しました。それぞれ°C、ここでIn _0.35 の11単分子層（ML） Ga _0.65 BQD層を形成するために堆積されたように。これに続いて、70nmのGaAsと11MLのIn _0.35 Ga _0.65 SQDを形成するために同じ温度で成長したように。最後に、サンプルをヒ素フラックス下で300°Cに冷却し、MBEチャンバーから取り出しました。 MBEから取り出した後、実験の合間に、サンプルを乾燥窒素ガスキャビネットに室温で保管しました。

a SQDサンプル構造の概略図。 b さまざまな温度で成長させたInGaAsSQDの0.5μm×0.5μmAFM画像。 c 平均身長と d InGaAs SQDの面密度は、成長温度に対してプロットされています

In _0.35 Ga _0.65 SQDは、室温の空気中でタッピングモードを使用する原子間力顕微鏡（AFM）によって各サンプルについて研究されました。 PL測定では、サンプルを<10 ^-5 の真空でクローズドサイクルJANISCCS-150光学クライオスタットにロードしました。 Torrと可変温度（10〜300 K）。 QDサンプルは、×20の無限遠補正対物レンズを介してソリッドステート532nmレーザーで励起されました。 PL信号は、同じ対物レンズによって収集され、0.5 mのActon-2500分光計の入口スリットに焦点を合わせ、その後、液体窒素で冷却されたPrinceton Instruments PyLoN-IRCCD検出器によって検出されました。

結果と考察

In _0.35 の形態 Ga _0.65 図1bのAFM画像と図1cの抽出されたQDの高さ、および図1dのQD密度によって示されるように、各サンプルのSQDが調査されます。すべてのサンプルで、高品質のQDサンプルで期待されるように、大きなインコヒーレントな島や欠陥が表面に見られません。成長温度が475°Cから535°Cに上昇すると、SQDの面密度は9.86×10 ¹⁰ から単調に減少することがわかります。 〜1.25×10 ¹⁰ cm ⁻² 。このようなQD密度の変化は、基板温度の上昇に伴う吸着原子の拡散長の向上によるものです。興味深いことに、SQDの平均高さは成長温度に単調に依存しません。 520°Cで成長したサンプルでは最大6.5nmに達し、より高い成長温度でのインジウム脱離効果を示しています。

PLスペクトルは、最初に20 W / cm ² の比較的低い励起強度で測定されました。 10 Kで。図2a–cに示すように、スペクトルは各サンプルの2つの明らかな発光バンドを示しています。長波長の発光はSQDに起因し、短波長のピークはBQDからのものです。ここでは、PL波長、最大値の半分の全幅（FWHM）、およびSQDとBQDの間の強度の明確な特徴を見つけます。 BQD発光に対するSQD発光の赤方偏移は、GaAsキャッピング層の成長前後のひずみ、QD寸法、およびインジウム混合の変化に起因します。つまり、BQDは、より大きな圧縮ひずみ、より小さな平均QD高さの下にあります。 、およびそれに見合ったバンドギャップシフトとのより強い混合により、より高いエネルギーにシフトします[18、19、20]。 SQDの大きなFWHMは、QDの表面状態と閉じ込められたエネルギー状態の間の結合が原因である可能性があります。 PL強度を考慮すると、BQDは常にSQDよりもはるかに強い発光強度を持ち、統合されたPL強度比はさまざまな温度で成長したサンプルに対して変化することがわかります。 505°Cで成長したサンプルは、BQDとSQDの両方で最大強度を示し、このサンプルの最高のQD品質を示しています。

a 20 W / cm ² の励起レーザー強度で10Kで測定されたPLスペクトル 。 b 抽出されたPL波長と c 成長温度の関数としての統合PL強度。 d 200 W / cm ² の励起レーザー強度で295Kで測定されたPLスペクトル 。 e PL波長と f 成長温度の関数としての統合PL強度

次に、PLスペクトルを200 W / cm ² の励起強度で測定しました。 室温で。図1と図2に示すように。 2d–fでは、SQDピークとBQDピークの両方が、温度が10Kから295Kに上昇するにつれて、より長い波長に移動します。波長と統合PL強度はどちらも、10 Kでの場合と同様の動作に従います。しかし、非常に興味深いことに、各バンドの全幅にわたって統合されたSQDに対するBQDのPL強度の比率は、低温では295 Kとは大きく異なります。たとえば、505°Cで成長したサンプルの場合、 10 Kですが、室温では約1.35です。これは、SQDとBQDが、SQD密度、温度、およびおそらく励起強度（つまり、QD内のキャリア母集団）に応じて、異なるキャリア再結合特性とPL消光の基本的なメカニズムを持っていることを示しています。非放射中心として機能し、低温で光子生成キャリアを「凍結」できるのは表面準位です。しかし、これらの閉じ込められたキャリアは、高温で熱的に活性化され、SQD放出を高めることができます[17]。 SQDとBQDの両方で最高のQD品質を示すため、505°Cで成長したサンプルを選択して、より専用の励起依存および温度依存のPL調査を行います。

次に、505°Cで成長したサンプルの場合、10 K、77 K、150 K、220 K、および295 Kの温度での励起レーザー強度の関数としてSQDとBQDの両方のPLスペクトルが測定されます。図3aは、例として、10Kで測定されたスペクトル。励起強度に依存するPLスペクトルから、各温度での励起レーザー強度の関数として積分PL強度が抽出されます。図3b–fに示すように、PL強度は、励起強度の増加とともに直線的に増加します。 I の一般化されたべき法則 _PL =η × P ^α P である低励起範囲で満たされます。 は励起レーザーの出力密度であり、 I _PL QD放射の積分強度です。指数α は、放射再結合メカニズムに応じて、励起子再結合では1に近く、自由キャリア再結合では2に近いと予想されます。係数η は実際には、励起子の吸収、捕獲、再結合を含む包括的な特性です[21、22]。指数、α 、および係数、η 、はそれぞれ図3g、hにプロットされています。これらは、それぞれ10 K、77 K、150 K、220 K、および295Kの5つの測定温度について図3b–fの実験データをフィッティングすることによって取得されます。 BQDとSQDでは異なる温度依存性が見られます。

a 505°Cで成長したサンプルの励起強度の関数としてのPLスペクトル。 b 〜 f それぞれ10K、77 K、150 K、220 K、および295Kでの励起強度の関数としてのBQDおよびSQDの統合PL強度。 g 、 h べき法則パラメータα およびη 異なる温度でのBQDとSQDの場合。ここでは、線は目を見張るだけです

指数αの場合 、BQDの場合は10〜150 Kの低温で実際には単一であることがわかりますが、150〜295 Kの温度上昇で1.9に増加します。これは、低温領域でのBQDの励起子再結合を示していますが、高温でのより複雑なキャリア再結合メカニズム。純粋な励起子再結合の場合、係数α 、は1より小さくする必要があります。これは、励起強度の増加により、光拡散と非放射キャリア損失の増加の結果として光散逸が増加するためです[21]。ただし、SQDの場合、α 明らかに大きい（α =1.2〜1.3）1よりも、10〜295 Kの全温度範囲でほとんど変化がありません。したがって、低温でのSQD放出は、純粋に励起子のようなものではありません。すでにBQDよりも高いレベルの非放射再結合メカニズムが含まれている可能性があります。

係数η BQDの場合は温度が10から150Kに上昇するとゆっくりと低下し、その後150から295 Kに急速に低下することがわかります。ただし、SQDの場合はη 10〜295 Kの全温度範囲でゆっくりと減少します。また、η BQDの場合は10〜150 Kの低温でのSQDの場合よりもほぼ2桁大きく、このような低温でのSQDのPL効率が弱いことを示しています。ただし、150Kではη なぜなら、BQDは劇的に減少し始め、温度が上昇すると、室温でのSQDよりも2桁近く低くなります。

指数αの観測された動作 と係数η 図3gでは、hは、SQDとBQDが異なる機能と放出およびPL消光の基礎となるメカニズムを持っているという私たちの仮定を明確に補強しています。 BQDの場合、キャリアは10 Kの低温でQD内に閉じ込められ、励起子再結合による放出が支配的です。温度を10から77K、次に150 Kに上げると、キャリアはフォノンからエネルギーを獲得し、小さなドットから活性化して大きなドットに再分配できるようになります。温度を150Kから室温に向かってさらに上げると、キャリアはBQDから非放射中心に逃げるのに十分なエネルギーを獲得し、PL信号の熱消光をもたらします。したがって、BQDは表面状態と直接相互作用しません。 BQD内のキャリアを再分配およびクエンチさせるのはフォノンです。

対照的に、SQDは表面状態と密接に接触しています[17、20]。低温では、GaAsマトリックスから光子生成キャリアを受け取るためのSQDと表面状態の間に強い競争があります。明らかに、表面状態の密度が高いため、SQDよりも多くのキャリアを受け取ります。その結果、10 KでSQDのPL強度が弱いことが観察されました。また、SQDと表面状態の間の結合またはクロストークにより、指数αが観察可能に大きくなっています（α =1.2〜1.3）10 KでのSQDの1よりも。温度が上昇すると、表面準位に閉じ込められたキャリアがフォノンエネルギーを獲得して脱出し、SQDに生成される可能性があります[17]。このキャリアの再捕捉は、高温でのBQDではなくSQDからの放出を強化します。これは、係数ηのわずかな増加を説明しています。 、図3hに示すように、温度が10Kから77Kに上昇します。これは、係数の値ηがなぜであるかも説明します 、同じ図の〜220 Kで、SQDからの値がBQDからの値よりも高くなります。とりわけ、係数ηに関して、SQD放出はBQDが温度に対して変化したほど変化しなかったことを観察します。 、および指数、α 。したがって、キャリアの動的プロセスは、BQDとSQDで異なる温度依存性を示します。

SQDをさらに特徴づけるために、温度依存のPLスペクトルをさまざまな励起強度で測定しました。これを図4に示します。ここでも、SQDとBQDの間に異なる特性が見られます。 BQDの場合、図4aでは、温度の関数としての統合PL強度の変化は2つのレジームを示しています。各励起強度について、積分されたPL強度は、ある臨界温度まで一定のままであり、それを超えると急速に減衰します。これは、InGaAsBQDからのPLの典型的な動作です。低温領域では、一部のキャリアは熱エネルギーを獲得して、より大きなBQDによって活性化および再捕捉される可能性があります。したがって、このレジームでは、積分されたPL強度に顕著な損失はありませんが、図4c、eに示すように、FWHMが狭くなるにつれてPLピークエネルギーが減少することがわかります。高温領域では、BQDのキャリアは、BQDから逃げるのに十分な熱エネルギーを獲得し、その後、非放射キャリアトラップにトラップされます。これにより、BQDからのキャリアの損失により、統合されたPL強度が減衰します。図4のBQDについてここで見られる2つのレジームは、指数αの変動と相関しています。 および係数、η 図3g、hに示すSQDの場合、温度依存のPL測定と同じメカニズムを反映しています。

a 異なる励起強度での温度の関数としてのBQDとSQDの統合されたPL強度。 b 励起強度3W / cm ² のアレニウスプロット BQDおよびSQDの場合。 c のPLピークエネルギー BQDと d SQD。 e のFWHM BQDと f 温度の関数としてのSQD

SQDの場合、図4aでは、積分されたPL強度は、測定された温度の全範囲にわたって単調に減少します。 SQDの統合PL強度は、低温/高温領域でBQDの強度よりも速く/遅く減少し、ターンオーバーは約150 Kであることがわかります。興味深いことに、SQDはキャリアの再捕捉機能を示しませんでした。以前に観察されたように、10 K〜80Kの低温領域[17]。これは、QD密度および/または励起強度の違いが原因である可能性が最も高いです。また、図4aでは、温度が10 Kから上昇するとすぐに、SQDの統合PL強度が低下し始めることがわかります。一部のグループは、SQDPL強度の早期の熱消光が環境ポテンシャルに対するSQDの感度に起因すると考えています。変動[23、24]。他の人は、InGaAs SQDの濡れ層には閉じ込められた電子状態がないため、SQDに閉じ込められたキャリアには、熱活性化と再捕獲によって他のより大きなSQDに移動するチャネルがないと主張しています[17、20]。

ここでは、SQDPLの熱焼入れを説明するための別の仮説を提示します。表面準位はSQDの放出と消光に重要な役割を果たしていると私たちは信じています。表面状態はSQDの離散エネルギー状態と強く結合し、低温でもキャリアが非放射トラップに容易に移動できるようにします。したがって、SQDの統合PL強度は、低温領域でのBQDの統合PL強度よりも速く減少します。 WLおよびGaAsへのキャリアの脱出によりBQDが急速に急冷し始める高温領域では、SQDの急冷がBQDよりも遅いことがわかります。これは、システムの2つのプロパティを組み合わせた結果のようなものです。第一に、SQDは、エネルギーPLが低いことからわかるように、BQDよりも閉じ込められた電子エネルギーレベルが深くなっています。第二に、InGaAs SQDの濡れ層には閉じ込められた電子状態がないため、SQDに閉じ込められたキャリアには、熱活性化と再捕捉によって他のより大きなSQDに移動するための効率的なチャネルがありません。これは、表面準位チャネルを介してのみ可能です。これにより、同じレートでSQDからキャリアが引き出され続けます。したがって、BQDのように突然の急冷はありません。さらに、表面準位からSQDへのキャリア移動も、SQD放出を強化します。

温度依存のPL測定により、SQDは低温で急冷し始めますが、最終的には高温でのBQDよりも強度の低下が遅くなることがわかりました。さらに、励起強度が高いほど、SQDの統合PL強度の熱減衰率が遅くなることがわかります。より高い励起強度では、表面状態がより多くなり、SQDからのキャリアの損失が減少すると仮定するのは合理的です。その後、SQDの統合されたPL強度は、励起強度の増加に伴い、より緩やかな熱減衰を示します。

キャリアの熱消光のメカニズムをよりよく理解するために、図4bは、励起強度が3 W / cm ² のアレニウスプロットを示しています。 。実験データは、2つの非放射再結合プロセスを含む関係に適合しました：

私 （ T ）は、積分されたPL強度であり、温度 T ; k _B 、α、 C ₁ 、および C ₂ 定数です。および E ₁ および E ₂ は熱活性化エネルギーです[25、26]。低温域でのPL発光は、主に C によって決定されます。 ₁ exp（− E ₁ /（ k _B T ）） E を使用 ₁ =SQDの場合は4.1meV、BQDの場合は14.5meV。高温範囲でのPL発光から抽出される活性化エネルギーは E ₂ =SQDの場合は21.2meV、BQDの場合は79.0 meV。これは一般に、QDから逃げる熱活性化キャリアが原因であると理解されています。 E が小さいと考えます ₂ 表面準位の比較的低いエネルギーへのSQDの場合、キャリアエスケープのためのより低いエネルギーチャネルを提供します。

BQDとSQDのPLピークエネルギーも、それぞれ図4c、dに示すように、温度の上昇とともに明らかな違いを示します。 BQDのPLピークエネルギーは、よく知られている「S字型」を示しており、低温での赤方偏移が遅く、次に中温範囲での赤方偏移が速く、部屋に近づくにつれて再び比較的ゆっくりとした赤方偏移が続きます。温度。この特徴は、図4eに示すFWHMの変化と相関する、BQD間のキャリアの熱活性化と再分配特性に起因する可能性があります。非常に異なって、SQDピークエネルギーは、キャリア再分配チャネルがないため、バルクInGaAsのバンドギャップについてVarshniの法則に従います。これは、図4fに示すように、全温度範囲でSQDのFWHMが単調に増加することとも一致しています。

温度依存性PLを通して見られる非放射損失チャネルに加えて、SQDの温度による減衰率も励起パワーによって変化することが図4aから明らかであり、キャリア伝達率も励起パワーに依存することを示しています。キャリア母集団と対応するPL強度は、キャリア転送プロセスを反映しているため、BQDとSQDの間のこれらのプロセスの違いは、それらのPL強度間の比率によって特徴付けることができます。そこで、SQDとBQDの間の統合されたPL強度の比率を、それぞれ図5a、bの励起強度と温度の関数としてプロットしました。

a 励起強度に関する統合PL強度比（SQD / BQD）。 b 3 W / cm ² の低励起強度と高励起強度の両方の温度に対する統合PL強度比 および95W / cm ²

図5aに示されているように、比率は、さまざまな温度での励起強度に対するさまざまな依存性を示しています。 10 Kの低温では、強度比はすべての強度で1よりはるかに低くなります。これは、表面状態が非放射再結合中心として機能し、ほとんどのキャリアを捕捉して「凍結」するためにSQDと競合するためと考えられます。励起レーザーの強度が3mW / cm ² から増加すると 〜950 W / cm ² 、比率は最初はごくわずかに増加し、最大値は約10 W / cm ² 。これはごくわずかな影響であり、2つのシステム間に何らかの相互関係があることを示している可能性があります。ここで、BQDは、SQD放出を強化する飽和を示す可能性があります。これは図3bで見ることができ、BQDは電力に伴う線形増加よりもわずかに偏差が小さく、SQDは線形よりもわずかに偏差が大きくなっています。 77 Kでは、比率は10 Kの場合とほぼ同じ傾向に従いますが、110 Kでは、全範囲でレーザー励起によって比率が単調に減少する点が異なります。これは、線形べき乗則よりも大きいBQDの励起状態の人口増加の始まりを示している可能性があります。これは、図3dと比較できる150 Kのデータでも継続されます。ここでは、BQDが線形をわずかに上回る速度で増加しているのに対し、SQDは線形のままです。したがって、図5aの150 Kのデータは、電力の増加に伴う比率の非常に顕著な減衰を示しています。ただし、〜10 W / cm ² を超える場合 、関係は明らかに方向を変え、SQDが励起状態をパワーとともに線形よりも大きく増加させ始めます。これは、図4fで確認できます。ここでは、100 Kを少し超えると、FWHMが急激に増加します。これは、励起状態が熱的に生成されているためと考えられます。図5aの高温では、比率は引き続き150 Kに設定された傾向に従い、BQDが図4aに見られるように熱消光の兆候が増加するにつれて、より高い値に継続的にシフトします。

図5bは、温度による比率の変化を示しています。最初に減少し、次に3 W / cm ² の低出力と高出力の両方の励起で増加します。 および95W / cm ² 、 それぞれ。これは、図4aを再検討することで完全に理解できます。 SQDが減衰する間、BQDは約150 Kまで安定していることがわかります。その後、BQDは突然減衰し、SQDは低温範囲と同様の速度でゆっくりと減衰し続けます。したがって、この比率は主に、表面準位へのSQDキャリアのゆっくりとした熱損失を背景にしたBQDの突然の熱クエンチによって影響を受けます。

結論

結論として、厚いGaAsスペーサーによってInGaAsBQD層から分離されたInGaAsSQDを備えた複合ナノ構造で、自己組織化InGaAs / GaAs SQDの光学特性を注意深く調査しましたが、さまざまな成長温度を使用してQD面密度を変化させました。このようなSQDは、SQDの表面形態に応じて、BQDとは異なる動作をします。この研究で最良のSQDおよびBQDサンプルの場合、励起強度に依存するPL測定は、キャリア放出効率がBQDと比較して低温では小さいが、BQDが熱急冷を経るにつれて室温では比較的大きくなることを示しています。 。さらに、SQDの統合されたPL強度とFWHMは、温度への依存性がそれぞれ単調に減少および増加することを示しています。最後に、SQDとBQDの間の統合されたPL強度の比率は、温度と励起強度によって異なる変化を示します。 SQDのこれらの異常なPL特性は、表面形態だけでなく温度と励起にも依存して、SQDと表面状態の間の強い相互作用とキャリア移動を示唆しています。

略語

AFM：

原子間力顕微鏡

BQD：

埋もれた量子ドット

FWHM：

半値全幅

MBE：

分子線エピタキシー

PL：

フォトルミネッセンス

QD：

量子ドット

SQD：

表面量子ドット