Определение энергии связи экситона методом фототоковой спектроскопии кванта Ge

Том 13 научных докладов, номер статьи: 14333 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Мы сообщили об определении энергии связи экситона с помощью спектроскопии туннельного тока германиевых (Ge) однодырочных транзисторов (SHT) с квантовыми точками (SHT), работающих в режиме нескольких дырок, при освещении с длиной волны 405–1550 нм (λ). Когда энергия фотона меньше энергии запрещенной зоны (1,46 эВ) КТ Ge размером 20 нм (например, при освещении с длиной волны 1310 нм и 1550 нм), пиковые напряжения спектроскопии туннельного тока не изменяются даже при облучении Плотность мощности достигает 10 мкВт/мкм2. Напротив, индуцируется значительный сдвиг первого пика туннельного тока дырок в сторону положительного VG (ΔVG ≈ 0,08 В при 0,33 нВт/мкм2 и 0,15 В при 1,4 нВт/мкм2) и даже создаются дополнительные пики фототока при более высоких положительных значениях VG. (ΔVG ≈ 0,2 В при облучении 10 нВт/мкм2) при освещении на длине волны λ = 850 нм (где энергия фотонов соответствует энергии запрещенной зоны КТ Ge размером 20 нм). Эти экспериментальные наблюдения были дополнительно подтверждены, когда СВТ Ge-QD были освещены лазерами с длиной волны λ = 405 нм в условиях гораздо более низкой оптической мощности. Вновь фотогенерированные пики тока объясняются вкладом экситонных, биэкситонных и положительных трионных комплексов. Кроме того, энергия связи экситона может быть определена путем анализа спектров туннельного тока.

Одноэлектронные или однодырочные транзисторы (SET/SHT), содержащие одну квантовую точку, емкостно связанную с резервуарами истока/стока и плунжерными затворами через туннельные барьеры и диэлектрические слои затвора соответственно, являются окончательным вариантом реализации электронных устройств, управляющих туннельным током. с точностью до одного заряда, основанной на эффектах кулоновской блокады. Присущая им различимость зарядового числа делает QD-SET (или SHT) непревзойденным устройством считывания зарядовых и спиновых кубитов с точки зрения измерения заряда и преобразования спина в заряд соответственно1,2,3,4,5,6 ,7. Ожидается, что благодаря высокой чувствительности к заряду как SET, так и SHT также будут очень чувствительны к фотодетектированию. После поглощения фотонов фотогенерированные электрон-дырочные пары приводят к изменениям в дифференциальной проводимости и спектроскопии туннельного тока SET/SHTs8,9,10,11,12. Кроме того, большое отношение пикового тока к впадине (PVCR) SHT при комнатной температуре позволяет предположить, что SHT способны подавлять шум от других высокоуровневых возбуждений13,14. Таким образом, фотодетекторы на основе SHT обладают преимуществами высокой чувствительности и низкого шума. Кроме того, энергия заряда дырка-дырка (Uhh) больше, чем энергия заряда электрон-электрон (Uee), поскольку дырки имеют большую эффективную массу, чем электроны. Следовательно, SHT было бы легче различать спектры туннельного тока, включающие процессы переноса биэкситонов и экситонов12.

Благодаря достижениям в технологии изготовления КМОП, работа СТО в режиме малого заряда была экспериментально продемонстрирована с использованием небольших КТ Si13 или КТ Ge14,15,16,17,18. SHT Ge-QD особенно привлекательны, поскольку КТ Ge с большей вероятностью будут иметь псевдопрямую запрещенную структуру для лучшего преобразования фотонного заряда, чем КТ Si, из-за большего экситонного радиуса Бора (αB) 24 нм в Ge, чем в Si ( αB, Si = 4,9 нм). В нашей предыдущей работе уже сообщалось об экспериментальном изготовлении и стационарных передаточных характеристиках (ID-VG) SHT Ge-QD, состоящих из одной сферической квантовой точки Ge (диаметром 20 нм), самовыравнивающейся с резервуарами истока/стока из кремния, легированного бором. через туннельные барьеры SiO2/Si3N417. Экспериментальное наблюдение апериодических осциллирующих пиков с большим PVCR (> 100) и токовых плато с отрицательной дифференциальной проводимостью при T = 4 – 40 K свидетельствует о том, что наши Ge-QD SHT работают в режиме нескольких дырок. Большие энергии однодырочной добавки > 100 мэВ и ~ 50 мэВ для изменения числа дырок от N = 0 → 1 и 1 → 2 соответственно были извлечены из наклонов кулоновских алмазов17. В этой работе мы продвинули исследование наших Ge QD-SHT для определения энергии связи экситонов, изучая эффекты фотовозбуждения в спектроскопии туннельного тока под воздействием непрерывного лазерного излучения на длинах волн (λ) 400–1550 нм. Мы заметили, что фотоны с энергией более 1,45 эВ способны возбуждать дополнительные пики фототока при более положительных напряжениях на затворе (VG = - 0,775 В и - 0,6 В/- 1,01 В) по отношению к первым/вторым пикам туннельного тока (при VG = - 0,82 В/- 1,23 В), соответствующие однодырочным/двухдырочным состояниям, измеренным в темноте. Изучено влияние мощности облучения на интенсивность и положение вновь генерируемых пиков фототока.

− 0.8 V in combination with (2) irregular spacings between neighboring current peaks at VG ranging from − 0.8 to − 2 V are a strong testament to our Ge QD SHTs operating in the few-hole regime. Tunneling current peaks located at − 0.82 V, − 1.23 V, − 1.49 V, − 1.6 V, and − 1.78 V correspond to the hole number of N = 1, 2, 3, 4, and 5, respectively. Illuminations at λ = 1310 nm or 1550 nm with irradiation power density as high as 10 µW/µm2 make the current peak, corresponding to the single-hole tunneling (N = 1) through the lowest energy level (Eh), a slight shift toward positive VG by ΔVG ≈ 0.035 V, whereas the positions of the higher-order current peaks remain unchanged./p>

− 0.6 V, possibly due to the charge transport being blocked by the Fermi sea of source reservoirs. One important finding of notes from Fig. 3 is that new current peaks corresponding to the exciton state (X), biexciton state (X2), and positive trion state (X+) are photogenerated at VG = − 0.6 V, − 0.775 V, and 1.01 V, respectively, in addition to the single-hole tunneling through the ground state (Eh) at VG = − 0.82 V and two-hole tunneling through the hole-hole charging state (Eh + Uhh) at VG = − 1.23 V. These well-resolved photocurrent peaks allow to extract the exciton binding energy (Ueh) and hole-hole charging energy (Uhh) from the corresponding gate-voltage spacings (ΔVG) of VG, single-hole state—VG, X = 0.22 V and VG, two-hole state—VG, single-hole state = 0.41 V, respectively. Gate modulation factor (α) of ~ 0.122 was extracted from the slopes of Coulomb diamonds in the Coulomb stability diagram of Ge QD SHTs (not shown here)17. Estimated values of Uhh and Ueh are 50 meV and 27 meV, respectively, using U = αΔVG. The experimentally-extracted values of Uhh and Ueh also explain well the peak-voltage shifts arising from bi-exciton state (X2) and positive trion state (X+) shown in Fig. 3./p> Ueh aligns with the experimental estimation derived from photocurrent spectroscopy of Ge QD SHTs. However, the magnitude of calculated Uhh and Ueh appears to be smaller than that of experimentally-extracted data. Our calculation possibly underestimated the actual Coulomb interactions between particles. This is because that in our calculation, the image charge effect resulting from a significantly large difference in the dielectric constants between Ge and SiO2 as well as the screen-potential effect between particles were not considered. Both effects can potentially enhance particle Coulomb interactions and increase the energy difference between Uhh and Ueh26./p>