変態InAs/InGaAs量子ドットにおける通信波長域光電導度の向上（1.3-1.55 µm）

概要

変態InAs/In_xGa_1-xAs量子ドット（QD）ナノ構造の光電特性を室温で研究し、光電導度（PC）と光ルミネッセンス分光、電気測定、理論モデリングを用いた。In_xGa_1-xAsクラッディング層の組成が異なる4サンプル（インジウム含有量x = 0.15, 0.24, 0.28, 0.31）を作製。InAs/In_0.15Ga_0.85As QD構造が通信波長域の1.3 µmで光感度を示すことを見出した。x増加に伴い全サンプルで赤方シフトを観測し、x = 0.31構造が第3通信窓である1.55 µm付近で感度を示した。同時に、x増加に伴うQD PCの低下はわずかで、In_0.15Ga_0.75As構造やGaAsベースQDナノ構造と同等の良好な光応答を維持することを確認。また、PC低下は光ルミネッセンス強度の類似低下と相関。理論的に量子エネルギー系とQD内キャリア局在をシミュレートすることでPCメカニズムへの洞察を得、この種構造における欠陥の特異な振る舞いと関連付けて光電流低下の理由を提案。これらはすべて、高x変態QDが光電子赤外光感受性デバイスに有効な構造であることを示唆する。

背景

変態InAs/In_xGa_1-xAs QDナノ構造は、多くの利点により過去10年間で大きな関心を集めてきた[1-7]。最も魅力的な特徴は、QDをInGaAs変態バッファ（MB）上に成長させることで、従来のIn(Ga)As/GaAs QD構造に比べてQD準位間の遷移エネルギーを大幅に低減できること[8]。これはInAs QDバンドギャップの減少によるもので、InAs QDとInGaAsバッファ間の格子ミスマッチ低減、ひいてはQD内歪み低減の結果である[9,10,11]。したがって、MBを閉じ込め材料として用いることで、発光波長を赤外（IR）領域、特に1.3 µmと1.55 µmの通信窓へシフト可能ながら高効率を維持できる[4, 12, 13]。さらに、変態QDは（i）高QD密度[14]、（ii）QDとウェッティング層（WL）準位の広範なチューニング可能性[10, 15]、（iii）発光デバイスにおける活性素子の良好な性能[16]などの興味深い特性を示す。しかし、変態QD中のディープレベルに関する最近の研究では、InAs/In_0.15Ga_0.85As QD構造のQD層近傍の総欠陥密度がInGaAs/GaAs擬似変態QDと同程度であるのに対し、より高いxの変態構造ではより高い欠陥密度を示すことが明らかになった[17, 18]。

変態InAs QD構造は、レーザー[19, 20]、単一光子源[3, 7, 21, 22]、太陽電池[23,24,25]などのIRフォトニクス・感光デバイスの設計・作製に成功応用されている。バンド間および準位間遷移ベースのIn(Ga)As QDフォト検出器は、垂直入射照射への応答により近IRから長波長IRまでの検出強化のため活発に研究されている[26,27,28,29,30]。例えば、量子閉じ込め準位と連続状態間の電子準位間遷移は、InAs QDをInGaAs層に埋め込むことで設計可能[29,30,31,32]。この設計により検出ピーク波長のチューニング、外部印加バイアスによる応答制御、暗電流低減が可能[33, 34]。これまで変態QD構造のフォト検出器実装に関する論文はない。

この分野発展の鍵は、変態QD構造の高発光効率と光感度を維持し、少なくとも従来のInAs/GaAs QD構造と同等にすること[1, 5, 35]。構造設計[6, 14, 21]、光電特性改善[5, 13]、ヘテロ構造の歪み関連欠陥制御・低減[4, 36, 37]のため、基礎・応用両面で多くの研究が実施されてきた。

したがって、InAs/In_xGa_1-xAs変態QDナノ構造は、1.3 µmおよび1.55 µm IR領域での発光や光応答を可能にする興味深いナノ構造である[1-7]。さらに、垂直InAs/In_0.15Ga_0.75As QD構造がGaAsベースと同等の光感度を維持できることを以前報告した[5]。しかし、このような変態構造は、光電流が2つのトップコンタクト間のチャネルを介したキャリア面内輸送で進行する側面幾何構成での光電測定では稀にしか研究されていない。一般に、QD層と関連WLが、側面幾何設計GaAsベース構造でのこれらの伝導チャネルを形成する[38]。この特異な伝導タイプにより、側面輸送QDフォト検出器は高光応答性の可能性を秘めると信じられている[39, 40]。変態InAs/InGaAs QDナノ構造の側面構成での室温での詳細な特性評価と基礎的研究は、近IRフォト検出器、リニアアレイ、カメラマトリックスなどの新規感光デバイスへの変態QD実装による更なる改善への貴重な洞察を与えることができる。

本研究では、分子線エピタキシーで異なるIn組成xで成長した変態InAs/In_xGa_1-xAs QDナノ構造の面内光電特性を、PCと光ルミネッセンス（PL）分光、側面電気測定、モデリング計算を用いて研究した。特に、QD層光応答の1.3 µmを超えるIRへの赤方シフト可能性を、In_0.15Ga_0.85AsおよびGaAs QD感光構造と同等の光感度保持とともに観察することに焦点を当てた。室温での近IR波長域における高光感度は、これらナノ構造がバンド間遷移ベースデバイスだけでなく、10 µm以上で動作する準位間フォト検出器にも有用であることを示唆する。

方法

サンプル作製と説明

Fig. 1に概略を示す構造を分子線エピタキシーで成長。まず、半絶縁（100）GaAs基板上に600℃で100 nm厚GaAsバッファを成長、続いて490℃で500 nm厚のアンドープInGaAs MBを堆積。その後、基板冷却のため210秒の成長中断を経て、460℃で3.0 ML（単原子層）のInAsを成長。最終的に、これらの自己組織化QDをMBと同じ組成のアンドープIn_xGa_1-xAs 20 nmで被覆。In_xGa_1-xAsクラッディング層の組成が異なる4サンプルを作製：In含有量x = 0.15, 0.24, 0.28, 0.31。

変態InAs/In_xGa_1-xAs QD構造の概略と光電測定用接続

理論モデリング

変態構造設計とエネルギープロファイル理解のため、In(Ga)As QD、アンドープMB、キャップ層で構成される量子エネルギー系の計算をTibercadソフトウェア[41]で実施。これは半導体低次元ナノ構造の光学特性シミュレーションに適切であることを実証済み[2, 15, 42]。

実験的原子間力顕微鏡データ[14]からサイズを取得した切頭円錐形InAs QDを考慮。InAs WLの存在を含み、そのパラメータはIn_xGa_1-xAs変態層特性に依存[15]。

まず、QDとMB間のミスマッチf_QDによって誘起されるQDの歪みテンソル成分を計算して構造の歪み計算を行う：

ここでa_MB(x)はIn_xGa_1-xAs MBの格子パラメータ、a_InAsはInAsの格子パラメータ。次に、QDと埋め込み層のバンドプロファイルは関連材料の変形ポテンシャル（QDとWLはInAs、緩和InGaAsはMB）に依存。

最後に、シュレディンガー方程式

を包絡関数近似で、電子には単一バンド有効質量アプローチ、正孔には6バンドk·pアプローチで解く。3Dハミルトニアンは

ここでV(r)は3Dポテンシャル。この近似はQD基底状態計算では満足できると考えられる[2]。電子と重い正孔の基底準位を確率密度とともに取得。光ルミネッセンス発光エネルギーは、電子と重い正孔の閉じ込め準位間エネルギー差から20 meV減算（エキシトン効果考慮）して導出。

モデル計算の詳細説明はRef. [2]参照。

光電特性評価

側面光電測定用に、構造の5×2 mmピース上に2つのInGa共晶表面コンタクトを堆積。Fig. 2に示す測定済みリニアI-V特性がコンタクトのオーム性を確認。サンプルを流れる電流をSiglent SDM3055マルチメータで、標準dc技法[43, 44]により、直列負荷抵抗R_L（1 MΩ、サンプル抵抗より十分小さい）両端の電圧降下として測定。光電流は250 Wハロゲンランプ光をプリズム分光器で分散して励起し、PCスペクトルを0.6-1.6 eV範囲で記録[44,45,46]。スペクトルは励起光源の光子数で正規化。PLスペクトルは532 nmレーザー（パワー密度5 W/cm²）で励起取得。全測定は室温（300 K）で実施。

InAs/In_xGa_1-xAs構造のI-V特性（x=0.15（a）、0.24（b）、0.28（c）、0.31（d））。暗時（黒）と350 µW/cm²照射下（カラー）で、PLスペクトルピークエネルギー（QD励起）と1.3 eV（InGaAsでの有効バンド間吸収）での照射。インセット：バイアス電圧に対する光電流依存性

結果と考察

室温での変態InAs/In_xGa_1-xAs QD構造のPCスペクトルをFig. 3にPLバンドとともに示す。PLバンドはQD基底状態間の光学遷移を示す。PLバンドの相対強度と位置もFig. 4bに表示。PC曲線上でQD、InGaAs閉じ込め層、GaAs底層由来の特徴を観測。PLバンド発端以下のエネルギーでの光電流信号は、以前検出された構造欠陥[17]に関連する可能性。

室温、バイアス11 Vでの変態InAs/In_xGa_1-xAs構造PCスペクトル：x=0.15（a）、0.24（b）、0.28（c）、0.31（d）。1.3 eVでの黒、赤、青曲線の励起強度はそれぞれ88、350、1400 µW/cm²。QD基底状態遷移のエネルギーポジショニング用PLスペクトルを任意単位で表示。垂直矢印はPaulら[48]に従って計算したInGaAsバンドギャップ（ε_g）と、励起強度依存性PC測定を行ったスペクトル位置（Fig. 5に示す）をマーク

変態InAs/In_xGa_1-xAs QD構造のモデリング計算： a 成長軸に沿った異なるx構造のバンドプロファイル； b 実測QD PLバンドと計算ピーク位置（破線垂直線）； c InAs/In_0.15Ga_0.85As QDの閉じ込め電子と正孔の確率密度。全モデル構造計算は300 Kで実施

調査した変態InAs/In_0.15Ga_0.85As QD構造が通信波長域の0.95 eV（1.3 µm）で光感度を示すことが判明（Fig. 3a）。x増加に伴い全サンプルで赤方シフト観測：x=0.31構造が0.8 eV（1.55 µm）付近で感度を示し、第3通信窓[47]に対応。このシフトは、x増加に伴うInAs QDとIn_xGa_1-xAsバッファ間の格子ミスマッチ低減、ひいてはQD内歪み減少に関連。これによりInAs QDバンドギャップが狭まり、PLバンドおよび光応答発端がIRへ赤方シフト[1-6, 19, 35]。

同時に、QD光電流信号の低下はわずかで、In_0.15Ga_0.75Asサンプルと同等の良好な光応答性維持を確認。以前議論したように[5]、x=0.15変態QD構造は擬似変態InAs/GaAs QDナノ構造と非常に類似した光応答を示す。また、PC低下はFig. 3で見られるようにPL低下と相関。

この効果はFig. 2で最も顕著で、暗時と異なる特徴的スペクトル点での照射下におけるバイアス電圧に対するI-V依存性をインセットの光電流依存性とともに示す。Fig. 3と同様に、光電流値は照射下総電流から暗電流を減算して得た光誘起部分を意味する。これらのスペクトル点はPLバンド最大値と1.3 eV（InGaAs MBでの有効バンド間吸収）。暗I-V特性と同様、これらの依存性も実験誤差内でリニアライク。

最良光応答はクラッディング層In含有量最小構造で測定され、最低暗電流も同構造。印加励起レベル（350 µW/cm²）でのInAs/In_0.15Ga_0.85As構造の光電流値は、MB励起時に暗電流の2-3倍以上。QD励起での光応答は暗電流と同程度だが、本構造は単一QD層のみであることを考慮すべき。多層QD構造の作製は確実にIR光応答を大幅増大させる。より高いxの他構造ではより低い光電流信号を示し、両スペクトル点での検出値は広い印加電圧範囲で暗電流値の約1桁低い。最低光応答は最大MB In含有量のInAs/In_0.31Ga_0.69As構造で観測。

この光応答性低下はおそらく、x増加に伴うMB欠陥密度増加に関連。これはこれら構造で以前、深準位熱刺激電流分光法[17]を用いて決定され、このようなナノ構造の構造解析[1]とよく相関。InAs/In_0.15Ga_0.85As QD構造のQD層近傍総欠陥密度がInGaAs/GaAsと同程度であるのに対し、より高いIn含有量の他構造では、QD層近傍の既知GaAs関連点欠陥複合体EL2、EL6、EL7、EL9、EL10およびバッファを貫通する拡張欠陥に起因する3準位がより高密度で存在することを報告済み。

スペクトル形状について（Fig. 3）、QD励起以上では光吸収とキャリア生成が主にε_g以上のエネルギーでMB内で発生。ε_gは経験式[48]で推定した各xのInGaAs閉じ込め層バンドギャップ値。ただし、ε_g以上で光子エネルギー増加すると光応答がわずかに減少することは注目に値する。これは変態QDが効率的再結合中心[1, 2, 12, 22]であるにもかかわらず、MBより光電流への寄与効率が高いことを自然に確認するもの[5, 6, 23]。

この特異性のPCメカニズムを理解するにはFig. 4aを参照。ここではサンプルの成長方向に沿った計算QDバンドプロファイルを示す。計算は電子と正孔の量子エネルギー準位結果で検証：期待されるPL発光エネルギーは実験測定PL QD基底状態遷移と一致（Fig. 4b）。Fig. 4cでは、Tibercadモデル化で計算したキャリア波動関数から得られた閉じ込め電子と正孔のシミュレート確率密度を示し、重い正孔の方が電子より高い局在レベルを示す。

光電流信号に寄与するには、QDバンド間吸収で生成された電子-正孔対が熱放出でQDから逃げ出す必要がある。先行研究[49]で、変態QDでは電子と重い正孔が相関対として同時にQDから逃げ出すことが確立。さらに、その活性化エネルギーが2粒子の活性化エネルギー和に対応することも実証[50]。

変態QDからのPL発光熱消光研究[10, 51]で、このような活性化エネルギーがWL準位とQD状態のエネルギー距離和に等しく、x=0.15で250 meVからx=0.31で150 meVまで低下することを証明。Ref. [51]で広く議論されているように、これらの値は室温での閉じ込めキャリア熱逃出によるPL発光の強い消光を引き起こす。

この基礎に基づき、QDで励起されたキャリアが熱的にWLとMBへ逃出可能と推論できる：そこで電子と重い正孔はQD近傍のバンドベンディング（Fig. 4a）によって分離され、正孔のQDへの再トラップを促進し、電子への障壁となって放射再結合を効果的に抑制。結果として重い正孔はQD周辺に集中（Fig. 4c）、電子はWLとMBのポテンシャル井戸に沿って自由に移動し伝導に寄与。Ref. [49]で議論されているように、逃出過程では相関しているが、室温ではエキシトンと見なせないため、QD近傍のバンドベンディングで容易に分離可能。

一方、MB励起時には非平衡正孔が閉じ込め層で生成され電子と再結合。WLがGaAsベースナノ構造の伝導チャネルとして知られる[52]こと、および表面コンタクト設計の側面構造ではヘテロ接合がないためキャリアが表面面近くで効率的に収集されることに言及しておく。

Fig. 3で、ε_g直上でのPC信号低下が、より高エネルギー、例えばx=0.15で1.3 eV以上、x=0.31で1.1 eV以上で上昇に転じる。これは表面とQD層に近い光吸収が関与し、より浅いトラップを巻き込むためと考えられる。これら構造で熱刺激電流分光法と深準位過渡分光法[17, 18]により確立されているように、より深い電子トラップは主にInGaAs MB層に位置し、より浅いものは表面近く（これらサンプルではQD層近く）に集中。浅いトラップに捕獲された電子は室温で伝導帯へより容易に逃出可能。したがって、QD層近くで生成された自由電子はMB深くで励起されたものより移動度が高く、電荷移動への寄与が大きい。さらに、表面近くで生成された電子は自由にWL伝導チャネルへ移動可能。

GaAsバンドギャップ（1.4 eV付近）以上での類似した光電流低下も観測。この効果は、欠陥状態密度が高くトラップと再結合中心として知られるInGaAs/GaAs界面近くでのキャリア生成による可能性。

構造光応答への異なる光学遷移の相対寄与はポンプ強度で変化。これはFig. 5でより良く観察可能で、異なる特徴的スペクトル点（PLバンド発端：QDアンサンブル共鳴励起、またはInGaAsでの有効バンド間吸収1.3 eV、GaAsでの1.5 eV）での励起強度関数としての光電流値を示す。

異なるIn含有量クラッディング層構造が同等スペクトル範囲で類似依存性を示す。GaAsでのバンド間励起（1.5 eV）はほとんどの強度値で二次依存性。これは非平衡キャリアのバンド間再結合に典型的、例えば平衡キャリアより高度に優占する場合[53]：アンドープ構造では期待通り。QDおよびInGaAs閉じ込め層励起での依存性は互いに非常に類似だがGaAsとは異なる。低励起強度でリニア、高強度でサブリニアになる。この振る舞いは明らかにShockley-Read中心を介したキャリア再結合を指し示す：高キャリア生成率で一部中心が飽和するためリニア依存がサブリニアに転化[54]。これら強度依存測定結果は、QD埋め込み層での主要キャリア効率的生成と低再結合率、およびGaAs層でのはるかに高い再結合中心密度を明確に示唆。例えば類似特性評価でのQD励起時、InGaAs/GaAs QD感光構造はPC(I) ~ I^0.25依存性を示し、これは欠陥準位を介した高い非放射再結合率とQD放射再結合によるもの[40, 55]。ただし、InGaAs/GaAs構造は7 QD層の多層構造であったことに注意。

これら測定と解釈から、変態QDをIR検出に用いるためのいくつかの示唆が得られる：（i）x > 0.15使用時、変態QD開発で行われたように[19, 20, 37]、歪み関連欠陥制御を可能にする高度設計を用いるべき；（ii）QD PCを暗電流以上にするには多層QDスタック（最小10層）が必要[27, 56]；（iii）重い正孔のより高い閉じ込めがQD励起時の光電流に有益であるため、重い正孔用のより高いギャップ障壁を持つ高度設計を検討可能[51, 57]。したがって、これら知見はIR検出を目指した変態QD設計と変態QDフォト検出器開発に非常に有用となり得る。

結論

変態InAs/In_xGa_1-xAs QDナノ構造の光電特性を室温で、PCとPL分光、電気測定、理論モデルシミュレーションを用いて研究。調査した変態InAs/In_xGa_1-xAs QDナノ構造が、1.3 µm（x=0.15）と1.55 µm（x=0.31）の通信窓で光感度を持つことを発見。しかし、MB中In含有量が高い構造のQD PCとPL効率は低いと推定されるものの、InGaAs/GaAs QD構造と同等の感度を持つInAs/In_0.15Ga_0.85As構造と比較可能。この光応答性低下はx増加に伴うMB欠陥密度増加に関連。また、モデリング計算により、調査されたQD構造タイプのPCメカニズムへの洞察を提供。これらすべては、ナノ構造設計最適化によりいくつかの懸念点に対処すれば、高x変態QDが光電子IR感光デバイスに有効な構造であることを示唆する。

略語

ε_g:

InGaAs閉じ込め層のバンドギャップ

E_c and E_v:

伝導帯と価電子帯のエネルギー

IR:

赤外

MB:

変態バッファ

ML:

単原子層

PC:

光電導度

PL:

光ルミネッセンス

QD:

量子ドット

R_L:

負荷抵抗

WL:

ウェッティング層