Ajustement des propriétés optiques de points quantiques InAs avec des intercouches InAlAs dans des couches réductrices de contrainte GaAsSb

Résumé

Dans cette étude, nous étudions comment de minces intercouches In_0,15Al_0,85As influencent le comportement optique de points quantiques (PQ) InAs coiffés d'une couche réductrice de contrainte (SRL) GaAs_0,85Sb_0,15. En utilisant la diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD) et la spectroscopie de photoluminescence (PL) à 77 K, nous comparons des échantillons avec des épaisseurs d'In_0,15Al_0,85As de 20 Å, 40 Å et 60 Å à un échantillon de référence sans intercouche. L'émission de type II caractéristique des PQ InAs coiffés de GaAsSb est supprimée lorsque l'intercouche est présente. Une couche de 20 Å induit un décalage vers le bleu de 52 meV, tandis que des couches de 40–60 Å produisent un décalage vers le rouge en raison de la contrainte accrue. La séparation d'énergie entre l'état fondamental et le premier état excité atteint 106 meV pour une intercouche de 60 Å, et la largeur de raie spectrale se rétrécit de 52 meV à 35 meV.

Contexte

Les points quantiques InAs/GaAs auto-assemblés, formés par le mécanisme de Stranski-Krastanov, ont attiré un intérêt de recherche extensif pour leurs propriétés électroniques et optiques ajustables, qui sous-tendent une gamme de dispositifs optoélectroniques [1]. Pendant le coiffage, la taille et la forme des PQ évoluent par intermélange, ségrégation et diffusion augmentée par la contrainte [2]. Une couche de coiffage pure en GaAs limite l'émission à des longueurs d'onde inférieures à 1300 nm ; l'ajout de couches réductrices de contrainte (SRL) composées de (Ga, In)(As, Sb, N) étend l'émission dans la bande C [3-7]. Le GaAsSb, en particulier, offre un alignement de bande ajustable : en ajustant la teneur en Sb, il peut passer de type I à type II, permettant une émission au-delà de 1,5 µm [8-10]. Cependant, avec les SRL GaAsSb, la séparation fondamental-état excité reste généralement seulement de 60–75 meV, ce qui permet l'échappement de porteurs activé thermiquement [11]. L'introduction d'une mince barrière entre les PQ InAs et le GaAsSb peut augmenter le confinement des porteurs et la durée de vie, comme démontré par les intercouches GaAs qui ont amélioré l'efficacité des cellules solaires de 23 % [12]. Les couches InAlAs sont prometteuses pour l'ingénierie de la recombinaison radiative ; elles peuvent augmenter la séparation fondamental-état excité et supprimer l'intermélange, améliorant ainsi la performance des dispositifs [13-17]. Des travaux antérieurs avec des SRL composites InAlAs/InGaAs ont atteint des séparations jusqu'à 104 meV [16, 18]. Cet article présente la première étude systématique d'intercouches In_0,15Al_0,85As sur des PQ InAs/GaAs_0,85Sb_0,15, se concentrant sur la longueur d'onde d'émission, le type de recombinaison, la largeur de raie et la séparation d'états.

Méthodes

Les échantillons ont été cultivés sur des substrats GaAs (001) de type p épi-prêts dans un système MBE Veeco Gen20A. Les dimères As₂ et Sb₂ étaient fournis via des craqueurs à vannes. Après une couche tampon GaAs à 590 °C, le substrat était refroidi à ~485 °C pour cultiver 2,5 ML de PQ InAs. Une couche GaAs de 5 nm coiffait les PQ avant que la température ne soit élevée à 570 °C pour une barrière GaAs de 38 nm. L'épaisseur de la SRL GaAsSb était fixée à 60 Å (15 % Sb) tandis que la couche In_0,15Al_0,85As variait de 0 à 60 Å sur quatre échantillons (A-D). Le taux de croissance pour toutes les couches était de 0,5 ML s^‑1. L'alignement de bande était modélisé suivant Krijn [19] et les paramètres dans [20], et illustré dans la Fig. 1.

Schéma des structures cultivées et diagramme de bande d'énergie correspondant des PQ InAs coiffés d'une SRL composite In_0,15Al_0,85As/GaAs_0,85Sb_0,15. L'épaisseur d'In_0,15Al_0,85As t = 0 Å, 20 Å, 40 Å et 60 Å pour les échantillons A, B, C et D, respectivement.

La qualité cristalline a été évaluée par HRXRD sur un diffractomètre Panalytical. Les mesures PL ont été effectuées à 77 K avec un laser CW 532 nm et un spectromètre FT-IR Bruker Vertex 80 équipé d'un détecteur InGaAs refroidi thermoélectriquement [21].

Résultats et Discussion

Les courbes de balancement HRXRD (Fig. 2a) révèlent des pics satellites clairs pour tous les échantillons, confirmant une haute qualité cristalline. Les simulations donnent une teneur moyenne en Sb de 13 % dans l'échantillon de référence et des teneurs en In de 13,5 % dans les intercouches, correspondant aux valeurs nominales.

a Balayages ω/2θ à haute résolution pour les échantillons A-D. b Spectre PL de l'échantillon A à 77 K, 100 mW. c PL dépendant de la puissance de l'échantillon A. d Énergie de pic vs. P_ex^1/3 pour les deux premières transitions.

L'échantillon de référence (A) montre trois pics gaussiens à 1004 meV, 1068 meV et 1113 meV, correspondant à l'état fondamental et au premier état excité. Le PMIG de l'état fondamental est de 52 meV, tandis que l'état excité est de 58 meV. Les mesures dépendantes de la puissance (Fig. 2c) révèlent que l'énergie de transition fondamentale diminue avec la diminution de la puissance d'excitation, caractéristique d'une recombinaison de type II (électrons dans le PQ, trous dans le puits quantique GaAsSb). La première transition excitée se comporte de manière similaire, indiquant des paires électron-trou localisées dans les PQ. La séparation d'énergie ΔE reste ~64 meV à travers les puissances, confirmant un champ électrique perpendiculaire dû à l'accumulation de charge.

La Figure 3a montre les profils de bande de l'échantillon A et les profils modifiés pour les échantillons B-D. L'insertion d'In_0,15Al_0,85As modifie à la fois le confinement et la contrainte. Pour une couche de 20 Å (échantillon B), le pic d'état fondamental se décale à 1056 meV (décalage vers le bleu de 52 meV) et le PMIG se réduit à 39 meV. ΔE augmente à 92 meV. Des couches plus épaisses (40–60 Å) produisent un décalage vers le rouge ; l'échantillon D montre un état fondamental à 962 meV, PMIG de 35 meV et ΔE de 106 meV. Ces changements reflètent la compétition entre le confinement accru (bleu) et les décalages de bord de bande induits par la contrainte (rouge).

Les intensités PL augmentent pour B et C par rapport à A, mais chutent d'un facteur cinq pour D. La couche InAlAs plus épaisse entrave le tunnelage des porteurs du GaAsSb vers les PQ, favorisant la recombinaison de type I à l'intérieur des PQ et réduisant l'émission de type II. Le troisième pic PL, apparaissant à des énergies plus élevées, croît avec l'épaisseur de l'intercouche, confirmant une transition vers la recombinaison de type II (électron dans GaAs, trou dans GaAsSb). Ce comportement est cohérent avec la suppression du chevauchement des fonctions d'onde électron et trou dues à la barrière.

Dans l'ensemble, l'intercouche InAlAs fournit un outil polyvalent : une couche de 20 Å donne un émetteur de type I à durée de vie courte avec grand ΔE et largeur de raie étroite ; des couches plus épaisses permettent une émission de type II à durée de vie plus longue adaptée pour des applications telles que les lasers à points quantiques ou les photodétecteurs.

Conclusion

Les PQ InAs coiffés de SRL composites In_0,15Al_0,85As/GaAs_0,85Sb_0,15 présentent des propriétés optiques ajustables pilotées par l'épaisseur de l'intercouche InAlAs. L'intercouche supprime l'émission de type II, induit un décalage vers le bleu de 52 meV à 20 Å et un décalage vers le rouge pour ≥40 Å, et élargit la séparation état fondamental-premier état excité à 106 meV (échantillon D). La largeur de raie spectrale se rétrécit de 52 meV à 35 meV, soulignant la réduction de l'intermélange et l'amélioration de l'uniformité de taille. Ces résultats démontrent que l'ingénierie stratégique d'intercouche peut adapter l'émission des PQ pour des dispositifs optoélectroniques à haute performance.

Abréviations

PMIG :

Pleine largeur à mi-hauteur

HRXRD :

Diffraction des rayons X à haute résolution

PL :

Photoluminescence

PQ :

Points quantiques

PU :

Puits quantique

SRL :

Couches réductrices de contrainte