优化变形InAs/InGaAs/GaAs量子点异质结构光生伏特效应：面向光敏器件的设计洞察

摘要

本研究探讨GaAs衬底及其相邻层对垂直变形InAs/InGaAs量子点(QD)结构光生伏特(PV)效应的影响，并与常规准形变InAs/GaAs QD对比。分子束外延(MBE)生长结构，底部接触分别置于n⁺缓冲层或GaAs衬底。缓冲层接触样品光电谱显示QD、润湿层(WL)和缓冲层特征；衬底接触样品额外出现EL2缺陷中心起始特征。后者导致双极性PV，源于QD相关跃迁与衬底相关缺陷竞争。缓冲层接触谱中无衬底影响，但变形堆叠中n⁺GaAs缓冲层负面影响PV和光电导(PC)。这些发现指导变形QD结构设计以实现高效光子器件。

背景

半导体纳米结构，特别是In(Ga)As QD，已成为红外光子学基石材料，提供可调发射、高效率、低成本制造[1-5]。应用跨越激光器[2,6]、单光子源[7,8]、光探测器[9-13]、太阳能电池[14-16]。中间带激发[17,18]和多激子生成[19,20]等策略延伸光敏度、推动太阳能电池效率突破单带隙极限[21]。应变平衡[22]和错配管理[23]降低缺陷密度、提升器件性能[24-26]。InGaAs变形缓冲层(MB)降低晶格失配和InAs QD应变，实现红移发射至通信波段(1.3-1.55 µm)[27-36]。近期工作探索变形QD用于红外光探测器[11-13]和太阳能电池[37-39]，聚焦结构设计[25,31-33]和光电增强[39,40]。然而GaAs衬底及其界面对PV作用仍未充分探索，尽管这些层可引入深能级影响载流子动力学[43-45]。本文延伸该工作，对比缓冲层接触和衬底接触的变形与准形变QD，阐明衬底相关缺陷如何产生双极性PV及设计调整如何缓解这些影响。

方法

样品在半绝缘(si) GaAs(001)衬底(n型、3×10⁷ cm⁻³、500 µm厚、2×10⁷ Ω·cm)上MBE生长。变形堆叠含：100 nm n⁺GaAs缓冲层(600°C)、两层In₀.₁₅Ga₀.₈₅As MB(300 nm和500 nm、490°C)、20 nm非掺杂In₀.₁₅Ga₀.₈₅As间隔层中3 ML InAs QD层(460°C)、300 nm n-In₀.₁₅Ga₀.₈₅As覆盖层(490°C)、13 nm p⁺In₀.₁₅Ga₀.₈₅As盖层(490°C)。准形变堆叠用300 nm n⁺GaAs缓冲层、500 nm n-GaAs MB、20 nm非掺杂GaAs间隔层中3 ML InAs QD、500 nm n-GaAs覆盖层。AFM确认两类QD直径~20 nm、高度~5 nm[30,31,45]。蚀刻至n⁺缓冲层形成台面结构(直径500 µm、顶部Au接触400 µm、厚70 nm)。缓冲层接触样品底部接触用AuGeNi，衬底接触样品用铟。在Au接触下插入薄p⁺InGaAs层增强肖特基势垒[47-49]。带廓线模拟用Tibercad，含应变、缺陷陷阱、真实肖特基高度[50,51]。300 K下0.6-1.8 eV激发(1.5 mW/cm²)、1 V偏压、100 kΩ负载记录PV和PC谱。532 nm测PL。所有接触经线性I-V曲线验证为欧姆。

结果与讨论

A. 光电表征

图2展示两类QD PV谱。缓冲层接触样品显示清晰QD基态吸收特征(变形0.88 eV、准形变1.05 eV)、润湿层跃迁(~1.2 eV)、MB带边吸收(~1.24 eV)。变形堆叠1.36 eV以上显著下降反映重掺杂n⁺GaAs缓冲层吸收，其带非均匀性红移GaAs带间边[33,46-55]。底部接触置于si-GaAs衬底时，PV谱在~1.68 eV(变形)和~1.44 eV(准形变)以下反转，指示双极响应。~0.72 eV起始源于衬底或界面EL2缺陷吸收[57]。因此衬底相关缺陷产生负PV分量，与QD、润湿层、MB正贡献竞争。带廓线模拟(图3)证实：n⁺GaAs/衬底区产生载流子漂移方向与上层产生载流子相反，导致观测极性反转。

B. 衬底-异质结构中间层设计方案

分析表明标准si-GaAs衬底配薄n⁺GaAs缓冲层不适合垂直光探测器，因缓冲层/衬底界面空间电荷区迫使载流子反向流动，降低整体效率。潜在补救：(i)增厚n⁺GaAs缓冲层屏蔽衬底(需>800 nm，仍不足完全抑制)；(ii)插入薄(10 nm)非掺杂Ga₀.₃Al₀.₇As势垒限制衬底产生电子(图5b)；(iii)采用梯度或重掺杂n-GaAs衬底，使带弯曲与MBE层对齐消除双极效应(图5c)。后者近期用于高效太阳能电池[14,39,40]，也利于背接触设计最大化光吸收。

结论

光电测量揭示si-GaAs衬底及其n⁺缓冲层深能级在变形和准形变InAs QD结构中产生双极性PV。将底部接触移至衬底可移除负分量，得单极性PV。但衬底相关吸收1.36 eV以上仍降低PV和PC。模拟与实验建议：重掺杂或梯度衬底，可选配宽带隙缓冲层，为消除衬底效应、最大化器件性能提供最务实路径。

缩写

AFM

原子力显微镜

MB

变形缓冲层

MBE

分子束外延

ML

单层

PC

光电导

PL

光致发光

PV

光生伏特

QD

量子点

RL

负载电阻

si

半绝缘

WL

润湿层