变质InAs/InGaAs量子点在电信波段（1.3–1.55 μm）的增强光电导率

摘要

室温下研究变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs量子点（QD）纳米结构光电性质，采用光电导率（PC）和光致发光光谱、电学测量及理论建模。生长了四种InₓGa₁₋ₓAs包层铟含量x不同的样品：x=0.15、0.24、0.28、0.31。InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD结构在电信波段1.3 μm表现出光敏性。随x增加，所有样品均观察到红移，x=0.31结构在第三电信窗口1.55 μm附近敏感。同时，QD光电流随x增加仅轻微下降，保持与In₀.₁₅Ga₀.₇₅As结构和GaAs基QD纳米结构相当的良好光响应。PC降低与光致发光强度下降相关。通过理论模拟量子能量体系和QD载流子定域，深入理解PC机制，并将光电流减少归因于此类结构中缺陷的特殊行为。所有结果表明高x变质QD是光电红外光敏器件的有效结构。

背景

过去十年变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD纳米结构因诸多优势备受关注[1-7]。最吸引人特性是：在InGaAs变质缓冲层（MB）上生长QD，可相较常规In(Ga)As/GaAs QD结构显著降低QD能级间跃迁能量[8]。因InAs QD与InGaAs缓冲层晶格失配减小，QD应力减小，导致InAs QD带隙减小[9-11]。因此应用MB作为限制材料可将发射波长推向红外（IR）深处，特别是1.3和1.55 μm电信窗口，同时保持高效率[4,12,13]。此外，变质QD展现有趣性质：（i）高QD密度[14]；（ii）可宽范围调控QD和润湿层（WL）能级[10,15]；（iii）发光器件有源元件性能良好[16]。然而，近期变质QD深能级研究显示，尽管InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD结构QD层附近总缺陷密度与InGaAs/GaAs拟态QD相当，高x变质结构显示更高缺陷密度[17,18]。

变质InAs QD结构在IR光子和光敏器件设计制造中成功应用，如激光器[19,20]、单光子源[3,7,21,22]、太阳能电池[23-25]。基于带间和亚带间跃迁的In(Ga)As QD光探测器因正入射响应，正积极研究用于近IR至长波IR增强探测[26-30]。例如，嵌入InGaAs层中InAs QD的电子量子限域能级与连续态间亚带间跃迁可工程化[29-32]，此设计允许调节检测峰值波长、外施偏压控制响应和降低暗电流[33,34]。迄今无文献报道变质QD结构在光探测器中应用。

该领域发展关键在于保持变质QD结构高发光效率和光敏度，至少与常规InAs/GaAs QD结构相当[1,5,35]。大量基础和应用研究致力于结构设计[6,14,21]、改善光电性质[5,13]、控制/减少异质结构应力相关缺陷[4,36,37]。

因此，InAs/InₓGa₁₋ₓAs变质QD纳米结构是有趣纳米结构，允许在1.3和1.55 μm IR范围发射或光响应[1-7]。我们早前报道垂直InAs/In₀.₁₅Ga₀.₇₅As QD结构保持与GaAs基相当的光敏度[5]。然而此类变质结构在侧向几何光电测量中鲜少研究，光电流通过两个顶面接触间通道沿平面传输载流子。通常QD层连同相关WL在GaAs基侧向几何结构中形成这些导电通道[38]。因这种特殊导电类型，侧向传输QD光探测器被认为具高光响应潜力[39,40]。深入研究侧向构型变质InAs/InGaAs QD纳米结构可提供PC机制和平面载流子传输效率基础知识。我们近期关于变质QD结构缺陷论文[17]报道低温侧向PC测量，仅考虑源自缺陷的IR光谱边缘。但我们认为室温下结构适当表征和基础研究能为进一步改进新型光敏器件（近IR光探测器、线性阵列、相机矩阵）提供宝贵洞见，通过实施变质QD。

本工作研究不同In组分x分子束外延生长的变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD纳米结构面内光电性质，采用PC和光致发光（PL）光谱、侧向电学测量和建模计算。特别关注观察QD层光响应向1.3 μm以外IR红移的同时，保持类似In₀.₁₅Ga₀.₈₅As和GaAs QD光敏结构的光敏度。室温近IR波段高光敏度表明这些纳米结构不仅可用于基于带间跃迁器件，也可用于10 μm以外工作的亚带间光探测器。

方法

样品制备与描述

图1示意所示结构经分子束外延生长。首先半绝缘(100) GaAs衬底上600 °C生长100 nm厚GaAs缓冲层，继而490 °C沉积500 nm厚未掺杂InGaAs MB。随后210 s生长中断冷却衬底，460 °C生长3.0 ML（单层）InAs。最后用相同MB化学计量20 nm未掺杂InₓGa₁₋ₓAs覆盖自组装QD。制备四种InₓGa₁₋ₓAs包层化学计量不同的样品：In含量x=0.15、0.24、0.28、0.31。

变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD结构示意图及光电测量连接方式

理论建模

为变质结构设计及理解能量剖面，用Tibercad软件[41]计算由In(Ga)As QD、未掺杂MB和覆盖层组成的量子能量体系，我们已证明其足以模拟半导体低维纳米结构光学性质[2,15,42]。

考虑截锥形InAs QD，尺寸取自实验原子力显微镜数据[14]；包含InAs WL，其参数依赖InₓGa₁₋ₓAs变质层性质[15]。

首先计算结构应变，通过计算QD应变张量分量，由QD与MB失配f_QD诱导，定义为

其中a_MB(x)为InₓGa₁₋ₓAs MB晶格参数，a_InAs为InAs晶格参数。然后QD和嵌入层能带剖面取决于相关材料变形势（QD和WL用InAs，弛豫InGaAs用于MB）。

最后求解薛定谔方程

在包络函数近似下，电子用单带有效质量法，空穴用6带k·p法，3D哈密顿量为

V(r)为3D势能。

此近似被认为满足QD基态计算[2]。电子和重空穴基态能级及其概率密度由此获得。光致发光发射能量由电子和重空穴限域能级能量差减去20 meV（考虑激子效应）得出。

模型计算更多细节见文献[2]。

光电表征

侧向光电测量在5×2 mm结构片上沉积两个InGa共晶面接触。图2给出的线性I-V特性确认接触欧姆性。流过样品电流用Siglent SDM3055万用表测，标准直流技术[43,44]测量串联负载电阻R_L=1 MΩ上电压降，远小于样品电阻。光电流由250 W卤素灯光经棱镜单色仪色散激发，PC光谱在0.6-1.6 eV范围记录[44-46]。光谱按激发光子数归一化。PL光谱用532 nm激光激发（功率密度5 W/cm²）获取。所有测量室温（300 K）下进行。

InAs/InₓGa₁₋ₓAs结构x=0.15（a）、0.24（b）、0.28（c）、0.31（d）暗态（黑）和350 μW/cm²照明（彩）下PL谱峰（QD激发）和1.3 eV（InGaAs有效吸收）能量处I-V特性。插图：光电流随偏压依赖

结果与讨论

室温下研究变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD结构PC光谱见图3，附PL带显示QD基态光学跃迁。PL带相对强度和位置亦见图4b。PC曲线观测到QD、InGaAs包层和GaAs底层特征。PL带起始能量以下光电流信号可能关联早期检测到的结构缺陷[17]。

室温11 V偏压下变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs结构PC光谱：x=0.15（a）、0.24（b）、0.28（c）、0.31（d）。黑、红、蓝曲线1.3 eV处激发强度分别为88、350、1400 μW/cm²。PL光谱任意单位给出用于QD基态跃迁能量定位。垂直箭头标记按Paul等人[48]经验公式计算的InGaAs带隙（ε_g）和测量PC随激发强度依赖光谱位置（见图5）

变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD结构建模计算：a 不同x沿生长轴能带剖面；b 实测QD PL带及计算峰值位置（虚线）；c InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD限域电子和空穴概率密度。所有模型计算在300 K进行

研究的变质InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD结构在电信波段0.95 eV（1.3 μm）表现光敏性（图3a）。随x增加，所有样品观察到红移：x=0.31结构在0.8 eV（1.55 μm）附近敏感（图3d），即第三电信窗口[47]。位移关联x增加导致InAs QD与InₓGa₁₋ₓAs缓冲层晶格失配减小、QD应力减小。这导致InAs QD带隙收窄，进而PL带和光响应起始向IR红移[1-6,19,35]。

同时QD光电流信号仅轻微下降，确认保持良好光响应度，与In₀.₁₅Ga₀.₇₅As样品相当。如前文[5]讨论，x=0.15变质QD结构光响应与拟态InAs/GaAs QD纳米结构极相似。PC降低与PL下降相关，见图3。

此效应在图2最显著，展示暗态和特征谱点照明下不同偏压I-V依赖，附光电流偏压依赖（插图）。谱点为PL带峰值和1.3 eV（InGaAs MB有效带带吸收）。暗I-V特性同理，这些依赖在实验误差内呈线性。

最佳光响应见于包层In含量最小结构，其暗电流也最低。在施加激发水平（350 μW/cm²）下，InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As结构MB泵浦时光电流比暗电流高二至三倍。QD激发光响应与暗电流相当；但考虑结构仅单QD层。制备多层QD结构必将显著增强IR光响应。高x其他结构显示较低光电流信号；两谱点检测幅度在宽偏压范围约比暗电流低一阶。最低光响应见于InAs/In₀.₃₁Ga₀.₆₉As结构（最大MB In含量）。

光响应度下降最可能关联x增加导致MB缺陷密度增加，早前用深能级热激励电流谱[17]测定，与此类纳米结构结构分析[1]吻合。我们报道InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD结构QD层附近总缺陷密度与InGaAs/GaAs相当，而高In含量其他结构显示更高缺陷密度，如QD层附近已知GaAs相关点缺陷复合体EL2、EL6、EL7、EL9、EL10及三个贯穿缓冲层的扩展缺陷能级。

关于光谱形状（图3），QD激发以上光吸收和载流子产生主要发生在高于InGaAs包层带隙ε_g能量的MB中，不同x的ε_g值按经验公式[48]估算。值得注意的是光子能量增至ε_g以上导致光响应轻微下降。自然地，这证实变质QD虽为有效复合中心[1,2,12,22]，但对光电流贡献比MB更大[5,6,23]。

理解此PC机制特性，参考图4a，展示不同样品沿生长方向计算QD能带剖面。计算经量子能级验证：电子和空穴预期PL发射能量与实测QD基态跃迁一致（图4b）。图4c展示Tibercad模型计算载流子波函数得出的限域电子和空穴模拟概率密度，指示重空穴比电子定域程度更高。

为贡献光电流信号，QD带间吸收产生的电子-空穴对须热发射逃逸QD。前期研究[49]证实变质QD中电子和重空穴作为关联对同时从QD逃逸。且证实此过程活化能对应两粒子活化能之和[50]。

研究变质QD PL热淬灭[10,51]时，我们证明此类活化能等于WL能级与QD态能量距离之和，随x从0.15的250 meV降至0.31的150 meV。文献[51]广泛讨论这些值致使室温PL发射通过限域载流子热逃逸强烈淬灭。

据此推断，QD激发载流子可热逃逸至WL和 MB：在那里，电子和重空穴被QD附近能带弯曲分离（图4a），促进空穴重新捕获回QD、同时为电子构成势垒，从而有效抑制其辐射复合。结果重空穴聚集QD边缘（图4c），电子自由沿WL和MB势阱移动贡献导电。值得注意的是文献[49]讨论虽逃逸过程相关，室温下载流子不能视为激子；故可易被QD附近能带弯曲分离。

否则激发MB时，非平衡空穴在包层产生并与电子复合。应提及WL是基于GaAs纳米结构已知导电通道[52]，我侧向表面接触结构无异质结，载流子在表面平面附近高效收集。

图3中PC信号在ε_g以上下降在更高能量转为上升，如x=0.15样品1.3 eV以上、x=0.31样品1.1 eV以上。这可归因于更靠近表面和QD层光吸收，涉及较浅陷阱。经热激励电流谱和深能级瞬态谱[17,18]确立，深电子陷阱主要位于InGaAs MB层，浅陷阱集中近表面（对这些样品近QD层）。陷入浅陷阱电子室温更易逃逸回导带。故近QD层自由电子比深MB激发电子迁移率更高，对电荷传输贡献更大。此外近表面产生电子可自由转移至WL导电通道。

类似光电流下降在GaAs带隙以上（近1.4 eV）也观察到。此效应可能因载流子产生靠近InGaAs/GaAs界面，该界面已知有较高缺陷态密度作为陷阱和复合中心。

不同光学跃迁对结构光响应相对贡献随泵浦强度变化。图5更清晰显示，给出特征谱点光电流随激发强度函数：PL带起始（QD集合共振激发）或InGaAs有效带带吸收（1.3 eV）和GaAs（1.5 eV）。

InAs/InₓGa₁₋ₓAs结构不同In含量包层光电流随激发强度：a x=0.15，b x=0.31。线为f(x)~x^α拟合

不同包层In含量结构在等效谱范围显示相似依赖。GaAs带带激发（1.5 eV）在大多数强度显示二次依赖。这典型于非平衡载流子带带复合，例如其高度占优平衡载流子[53]：我无掺杂结构中符合预期。QD和InGaAs包层激发依赖彼此非常相似但不同于GaAs。低激发强度线性，高强度亚线性。此行为明确指向涉及Shockley-Read中心载流子复合：随载流子产生率增加，部分中心饱和，线性依赖变亚线性[54]。这些强度依赖测量结果明确指示：QD嵌入层高效产生主载流子且复合率相对低，GaAs层复合中心密度高得多。例如类似表征中QD激发时，InGaAs/GaAs QD光敏结构显示强度依赖PC(I)~I^0.25，因沿缺陷能级高非辐射复合率伴随QD辐射复合[40,55]。但值得注意InGaAs/GaAs结构为七QD层多层结构。

这些测量及其解释为利用变质QD进行IR探测提供指示：(i) x>0.15时需采用控制应力相关缺陷的先进设计，类似变质QD开发[19,20,37]；(ii) 需多层QD堆叠（最少10层）获取高于暗电流的QD PC[27,56]；(iii) 重空穴更高限域利于QD激发光电流，可考虑高能隙重空穴势垒先进设计[51,57]。因此这些发现对旨在IR探测的变质QD设计和变质QD光探测器开发极具价值。

结论

室温下采用PC和PL光谱、电学测量及理论模型模拟研究变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD纳米结构光电性质。研究的变质InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD纳米结构在电信窗口1.3 μm（x=0.15）和1.55 μm（x=0.31）表现出光敏性。然而高x结构QD PC及PL效率估计较低，但仍与InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As结构相当，后者灵敏度类似InGaAs/GaAs QD结构。光响应度降低关联x增加导致MB缺陷密度增加。此外，得益于建模计算，我们提供了此类QD结构PC机制洞见。所有结果表明，高x变质QD是光电子IR光敏器件有效结构，前提是通过纳米结构设计优化解决相关关切点。

缩略语

ε_g:

InGaAs包层带隙

E_c和E_v:

导带和价带能量

IR:

红外

MB:

变质缓冲层

ML:

单层

PC:

光电导率

PL:

光致发光

QD:

量子点

R_L:

负载电阻

WL:

润湿层