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CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 1 D.J. As
Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie an Quantenpunkten
Selbstorganisierte InAs - Quantumpunkte
Niederdimensionale HL-Systeme -2 2 D.J. As
-> 1.7 ML InAs auf GaAs(100) Inselbildung (Stranski-Krastanov)
-0D-system nach Über-wachsen mit GaAs (InAs-Bereich eingebettet in GaAs)
-diskrete Energieniveaus („künstliche Atome“)
GaAs InAs
Höhe: 6-7 nm, Durchmesser ~35 nm
Dichte: 108 – 1011 cm-2
Adiabatische Näherung
Niederdimensionale HL-Systeme -2 3 D.J. As
Einschluss in Wachstumsrichtung deutlich stärker => adiabatische Näherung: Χ(x,y,z) = φ(x,y)ζ(z)
Variation der QW Grundzustandsenergie bestimmt das laterale Einschlusspotenzial
Laterales Potenzial kann durch 2dim harmonischen Oszillator genähert werden (Form und Zusammensetzung)
Harmonische Potentialnäherung und effektive Massennäherung
Niederdimensionale HL-Systeme -2 4 D.J. As
Äquidistante Energiezustände
Analytische Ausdrücke für die Wellenfunktionen
Ladungsgträgerwechselwirkungen über Störungstheorie
Asymmetrien durch Form oder Kristallstruktur heben Entartungen auf
Energiewerte hängen von der Form und Zusammensetzung des Quantenpunktes ab!
Energieniveaus in Leitungs- und Valenzband
Niederdimensionale HL-Systeme -2 5 D.J. As
Eigenschaften hängen von der Form und Zusammensetzung ab!!
GaAs VB
heavy holes
GaAs CB
CV, DLTS CV, FIRS
PL, Absorption
light holesCV, DLTSCV, FIRS
Photolumineszenz-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 6 D.J. As
900 1000 1100 1200 1300
0,0
0,2
0,4
0,6
0,81,3 1,2 1,1 1
d-shell
p-shell
s-shellT=300KFWHM = 29 meV
PL-in
tens
ity [a
.u.]
wavelength [nm]
energy [eV]
s p d
conduction band
valence band
GaAsquantum dot
+
ÿω
-
• Äquidistante Abstände zwischen den Peaks
• Peaks inhomogen verbreitert
CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 7 D.J. As
- QDs werden schrittweise durch Anlegen einer DC-Spannung VG geladen
- C als Funktion von VG wird gemessen
- Resonanzbedingung erfüllt => Maximum in C (Ladepeak)
- d ~ 25-40 nm for electrons d ~ 15-21 nm for holes
C-V-Spectroskopie misst das Ladespektrum und keine
Einteilchenenergien!
CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 8 D.J. As
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
44.0
44.5
45.0
45.5
46.0
46.5
T = 4.2 K
capa
citan
ce [p
F]
gate voltage [V]
18 meV
s1 s2 p1 p2 p4 p3
Schalenartige Energieniveaustruktur (“artificial atoms“)
Magneto-CV-Spektroskopie - Leitungsbandzustände
Niederdimensionale HL-Systeme -2 9 D.J. As
0 2 4 6 8 10 12
E ES -
E ES(B
= 0
T)
10 meV
s1
p4
p3
p2
p1
B [T]
s2
dispersion in perpendicular field
• Fock-Darwin beschreibt Dispersion
• s-artiger Grundzustand ohne orbitales Moment
• p-Schale wird nicht nach der Hundschen Regel gefüllt => elliptische Form des QDs hebt Entartung auf
Magneto-CV-Spektroskopie - Leitungsbandzustände
Niederdimensionale HL-Systeme -2 10 D.J. As
• Kreuzen von p- und d-Schale
• Solche Manipulationsmöglichkeiten gibt es in “echten” Atomen nicht!
R. J. Warburton et al. , Phys. Rev. B 58, 16221 (1998)
Quantenpunkt-Tuning
Niederdimensionale HL-Systeme -2 11 D.J. As
• Niedrige Dichte für Einzeldotspektroskopie
• Grundzustandsemission im geeigneten Spektralbereich für effektive Pumplaser und Detektoren (< 950 nm)
• Ladezustand soll sich kontrolliert einstellen lassen
• ……….
Niedrige Quantenpunktdichten
Niederdimensionale HL-Systeme -2 12 D.J. As
• ~ 1 QD/µm2 gewünscht
• So niedrige Dichten lassen sich nicht homogen über den ganzen Wafer herstellen
• In-Gradient über die Probe (10-25 % von Rand zu Rand))
Niedrige Quantenpunktdichten
Niederdimensionale HL-Systeme -2 13 D.J. As
Niedrige Quantenpunktdichten
Niederdimensionale HL-Systeme -2 14 D.J. As
0 10 20 30 40 50 60
1
10
100
area
l QD
dens
ity (µ
m-2
)
distance from wafer edge (mm)
Niedrige Quantenpunktdichten
Niederdimensionale HL-Systeme -2 15 D.J. As
PL erlaubt eine Dichteabschätzung für vergrabene Quantenpunkte
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 wetting layer emission
PL in
tens
ity [a
.u.]
position [mm]
QD ground state emission
Grundzustandslumineszenz
Niederdimensionale HL-Systeme -2 16 D.J. As
• kein (!) optisches C-Band, aber Si-CCD-Detektoren und Ti-Saphir Laser
• post-growth tempern
• Veränderung des Wachstums: InyGa1-yAs oder In-Flush
Grundzustandslumineszenz bei < 950nm: post-growth Tempern
Niederdimensionale HL-Systeme -2 17 D.J. As
900 1000 1100 1200 1300
PL-in
tens
ity [a
. u.]
wavelength (nm)
no annealing
800°CTPL = 300 K
QDWL
860°C
900°C
QDWL
growth direction
940°C960°C
820°C
840°C
• Standard MBE- Wachstum von InAs-QDs
• Post-growth Tempern von kleinen Stücken
• Temperzeit 30 s
Grundzustandslumineszenz bei < 950 nm: In-Flush
Niederdimensionale HL-Systeme -2 18 D.J. As
• In-Flush führt zur Blauverschiebung der Emission
• Kein post-growth Tempern erforderlich (thermal budget)
Grundzustandslumineszenz bei < 950 nm: In-Flush
Niederdimensionale HL-Systeme -2 19 D.J. As
• Blauverschiebung bis 930 nm bei T = 4.2 K
• FWHM bleibt konstant
700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0
0.5
1.0
PL in
tens
ity (n
orm
alize
d)
wavelength [nm]
as-grown non-flushed
dQD = 4.1 nm dQD = 3.2 nm dQD = 2.7 nm dQD = 2.4 nm dQD = 1.7 nm
TPL = 300K
In-Flush vs. Post-gowth Tempern
Niederdimensionale HL-Systeme -2 20 D.J. As
• In beiden Fällen Blauverschiebung der PL-Emission
• aber komplett unterschiedliche Form und Zusammensetzung
• Ladungsträgerwechselwirkung?
In-Flush: CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 21 D.J. As
• Grundzustand nähert sich dem Leitungsband
• Es passen immer weniger Ladungsträger hinein
• Coulomb-Blockade im Grundzustand scheint sich nicht zu ändern
-1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.60.0
0.5
1.0
1.5
2.0
capa
citan
ce [p
F]
gate voltage [V]
as grown
d = 3.2 nm
d = 3.7 nm
T = 4.2 KCoulomb blockade ground state
In-flush vs. Post-growth Tempern
Niederdimensionale HL-Systeme -2 22 D.J. As
800°
C
820°
C
840°
C
860°
C
880°
C90
0°C
as g
rown as
gro
wn
3.7
nm
3.2
nm4.1
nm
0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35131415161718192021222324
RTA In-flush
Coul
omb
bloc
kade
[meV
]
ground-state PL emission [eV]
• Coulomb blockade nimmt stark ab für Blauverschiebung durch post-growth Tempern
• Coulomb blockade bleibt nahezu konstant für Blauverschiebung durch In-Flush
• Überlapp der Wellenfunktionen stärker für In-Flush samples
Einstellung des Ladungszustandes
Niederdimensionale HL-Systeme -2 23 D.J. As
mit Artur Zrenner und Simon Gordon
Zusammenfassung
Niederdimensionale HL-Systeme -2 24 D.J. As
• InAs Quantenpunkte lassen sich durch verspannungsinduziertes selbstorganisiertes Wachstum herstellen
• Atomar scharfe Energieniveaus und schalenartige Energiestruktur (“künstliche Atome”)
• 2-dim harmonisches Potenzial ist gute Näherung für den lateralen Einschluss
• C-V-Spektroskopie zeigt starke Ladungsträgerwechselwirkung
• Luminszenzenergien und Ladungsträgerwechselwirkungen können durch Veränderung des Wachstumsprozesses oder post-growth Tempern eingestellt werden
CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 25 D.J. As
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