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CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 1 D.J. As
Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie an Quantenpunkten
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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
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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)
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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!
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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
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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
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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!
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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“)
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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
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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)
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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
• ……….
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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))
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Niedrige Quantenpunktdichten
Niederdimensionale HL-Systeme -2 13 D.J. As
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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?
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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
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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
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Einstellung des Ladungszustandes
Niederdimensionale HL-Systeme -2 23 D.J. As
mit Artur Zrenner und Simon Gordon
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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
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CV-Spektroskopie
Niederdimensionale HL-Systeme -2 25 D.J. As