Ge 양자의 광전류 분광법을 이용한 엑시톤 결합에너지 측정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14333(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

우리는 405-1550nm 파장(λ) 조명 하에서 소수 홀 체제에서 작동하는 게르마늄(Ge) 양자점(QD) 단일 홀 트랜지스터(SHT)의 터널링 전류 분광법을 사용하여 엑시톤 결합 에너지 측정을 보고했습니다. 광자 에너지가 20 nm Ge QD의 밴드갭 에너지(1.46 eV)보다 작을 때(예를 들어 λ = 1310 nm 및 1550 nm 조명), 조사 시에도 터널링 전류 분광법의 피크 전압에는 변화가 없습니다. 전력 밀도는 최대 10μW/μm2에 이릅니다. 대조적으로, 양의 VG를 향한 첫 번째 정공 터널링 전류 피크의 상당한 이동이 유도되고(0.33nW/μm2에서 ΔVG ≒ 0.08V 및 1.4nW/μm2에서 0.15V) 더 높은 양의 VG 값에서 추가 광전류 피크가 생성됩니다. (10nW/μm2 조사에서 ΔVG ≒ 0.2V) λ = 850nm(광자 에너지가 20nm Ge QD의 밴드갭 에너지와 일치하는 경우) 조명에 의한 것입니다. 이러한 실험적 관찰은 Ge-QD SHT가 훨씬 낮은 광 출력 조건에서 λ = 405 nm 레이저로 조명되었을 때 더욱 강화되었습니다. 새로 생성된 전류 피크는 엑시톤, 바이엑시톤 및 포지티브 트리온 복합체의 기여에 기인합니다. 또한, 터널링 전류 스펙트럼을 분석하여 엑시톤 결합 에너지를 결정할 수 있습니다.

각각 터널링 장벽과 게이트-유전체 층을 통해 소스/드레인 저장고와 플런저 게이트에 용량적으로 결합된 단일 QD로 구성된 단일 전자 또는 단일 홀 트랜지스터(SET/SHT)는 터널링 전류를 제어하는 전자 장치의 궁극적인 구현입니다. 쿨롱 봉쇄 효과에 기반한 단일 충전 정밀도. 고유한 전하 수 구별 능력으로 인해 QD-SET(또는 SHT)는 각각 전하 감지 및 스핀-전하 변환 측면에서 전하 및 스핀 큐비트에 대한 독보적인 판독 장치가 됩니다1,2,3,4,5,6 ,7. 높은 전하 감도 덕분에 SET와 SHT 모두 광검출에 매우 민감할 것으로 예상됩니다. 광자가 흡수되면 광생성된 전자-정공 쌍은 SET/SHT8,9,10,11,12의 차동 전도도 및 터널링 전류 분광법에 변화를 가져옵니다. 게다가, 실온에서 SHT의 큰 피크 대 밸리 전류비(PVCR)는 SHT가 다른 높은 수준의 여기에서 발생하는 잡음을 억제할 수 있음을 시사합니다. 따라서 SHT 기반 광검출기는 높은 감도와 낮은 노이즈라는 장점을 제공합니다. 또한 정공은 전자보다 유효 질량이 더 크기 때문에 정공-정공 충전 에너지(Uhh)는 전자-전자 충전 에너지(Uee)보다 큽니다. 결과적으로, SHT가 쌍엑시톤 및 엑시톤 수송 프로세스와 관련된 터널링 전류 스펙트럼을 구별하는 것이 더 쉬울 것입니다.

CMOS 제조 기술의 발전 덕분에 소수 충전 체제에서 SHT의 작동은 소형 Si QD 또는 Ge QD를 사용하여 실험적으로 시연되었습니다. Ge-QD SHT는 Si QD보다 Ge에서 24nm의 더 큰 엑시톤 보어 반경(αB)으로 인해 Si QD보다 더 나은 광자-전하 변환을 위한 의사 직접 밴드갭 구조를 가질 가능성이 더 높기 때문에 특히 매력적입니다. αB, Si = 4.9 nm). 우리의 이전 연구에서는 이미 붕소 도핑된 Si의 소스/드레인 저장소와 자체 정렬된 단일 Ge 구형 QD(직경 20nm)로 구성된 Ge-QD SHT의 실험적 제작 및 정상 상태 전달 특성(ID-VG)을 보고했습니다. SiO2/Si3N417의 터널링 장벽을 통해. 큰 PVCR(>100)을 사용한 비주기적 진동 피크와 T = 4 – 40K에서 음의 미분 컨덕턴스를 갖는 전류 고원에 대한 실험적 관찰은 Ge-QD SHT가 소수 홀 체제에서 작동한다는 것을 입증합니다. N = 0 → 1 및 1 → 2에서 변경되는 홀 수에 대해 각각 > 100 meV 및 ~ 50 meV의 큰 단일 홀 추가 에너지가 쿨롱 다이아몬드의 경사면에서 추출되었습니다. 이 연구에서 우리는 400-1550nm의 파장(λ)에서 연속파 레이저 조사 하에서 터널링 전류 분광학에 대한 광여기 효과를 연구함으로써 엑시톤 결합 에너지 결정을 위한 Ge QD-SHT의 탐색을 발전시켰습니다. 우리는 1.45eV보다 큰 에너지를 가진 광자가 첫 번째/두 번째 터널링 전류 피크(VG에서의 = − 0.82 V/− 1.23 V) 어둠 속에서 측정된 단일 구멍/2 구멍 상태에 해당합니다. 새로 생성된 광전류 피크의 강도와 위치에 대한 조사 전력 효과를 연구했습니다.

− 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>