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“)

0,5µm

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: C(x,y,z) = f(x,y)z(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, DLTS

CV, 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=300K

FWHM = 29 meV

PL

-in

ten

sity [

a.u

.]

wavelength [nm]

energy [eV]

s p d

conduction band

valence band

GaAs

quantum dot

+

w

-

• 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

capacitance [

pF

]

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

EE

S -

EE

S(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

are

al Q

D d

ensity (

µm

-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

0.8wetting layer emission

PL

in

ten

sit

y [

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-inte

nsity [a. u.]

wavelength (nm)

no annealing

800°CT

PL = 300 K

QDWL

860°C

900°C

QDWL

growth direction

940°C

960°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

inte

nsity (

no

rma

lize

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 0.6

0.0

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°C

900°C

as g

row

nas g

row

n

3.7

nm

3.2

nm

4.1

nm

0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.3513

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24 RTA

In-flush

Co

ulo

mb

blo

cka

de

[m

eV

]

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