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