Détermination de l'énergie de liaison des excitons par spectroscopie photocourant du quantum Ge

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14333 (2023) Citer cet article

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Nous avons rapporté la détermination de l'énergie de liaison des excitons à l'aide de la spectroscopie à courant tunnel de transistors à points quantiques (QD) à trou unique (SHT) en germanium (Ge) fonctionnant dans le régime à quelques trous, sous un éclairage de longueur d'onde (λ) de 405 à 1 550 nm. Lorsque l'énergie des photons est inférieure à l'énergie de la bande interdite (1,46 eV) d'un Ge QD de 20 nm (par exemple, λ = illuminations de 1 310 nm et 1 550 nm), il n'y a aucun changement dans les tensions de crête de la spectroscopie de courant tunnel, même lorsque l'irradiation La densité de puissance atteint jusqu'à 10 µW/µm2. En revanche, un déplacement considérable du premier pic de courant de tunneling vers un VG positif est induit (ΔVG ≈ 0,08 V à 0,33 nW/µm2 et 0,15 V à 1,4 nW/µm2) et même des pics de photocourant supplémentaires sont créés à des valeurs de VG positives plus élevées. (ΔVG ≈ 0,2 V à 10 nW/µm2 d'irradiation) par illumination à λ = 850 nm (où l'énergie des photons correspond à l'énergie de la bande interdite du Ge QD de 20 nm). Ces observations expérimentales ont été encore renforcées lorsque les SHT Ge-QD ont été éclairés par des lasers λ = 405 nm dans des conditions de puissance optique beaucoup plus faibles. Les pics de courant nouvellement photogénérés sont attribués à la contribution des complexes d'exciton, de biexciton et de trion positif. De plus, l’énergie de liaison des excitons peut être déterminée en analysant les spectres de courant tunnel.

Les transistors à un seul électron ou à un seul trou (SET/SHT), comprenant un seul QD couplé capacitivement aux réservoirs source/drain et aux portes-plongeurs via des barrières tunnel et des couches diélectriques de grille, respectivement, constituent le mode de réalisation ultime pour les dispositifs électroniques contrôlant le courant tunnel. avec une précision à charge unique basée sur les effets de blocage coulombiens. Leur distinction inhérente en nombre de charge fait des QD-SET (ou SHT) un dispositif de lecture inégalé pour les qubits de charge et de spin en termes de détection de charge et de conversion spin-charge, respectivement1,2,3,4,5,6. ,7. Grâce à leur sensibilité élevée aux charges, les SET et les SHT devraient également être très sensibles pour la photodétection. Une fois les photons absorbés, les paires électron-trou photogénérées entraînent des modifications de la conductance différentielle et de la spectroscopie de courant tunnel des SET/SHT8,9,10,11,12. En outre, le rapport de courant crête à vallée (PVCR) important des SHT à température ambiante suggère que les SHT sont capables de supprimer le bruit provenant d'autres excitations de haut niveau . Par conséquent, les photodétecteurs basés sur SHT offrent les avantages d’une sensibilité élevée et d’un faible bruit. De plus, l’énergie de charge trou-trou (Uhh) est supérieure à l’énergie de charge électron-électron (Uee), car les trous ont une masse effective plus grande que celle des électrons. Par conséquent, il serait plus facile pour les SHT de distinguer les spectres de courant tunnel impliquant des processus de transport de biexcitons et d’excitons12.

Grâce aux progrès de la technologie de fabrication CMOS, le fonctionnement des SHT dans le régime à quelques charges a été démontré expérimentalement en utilisant de petits QD Si13 ou Ge QD14,15,16,17,18. Les SHT Ge-QD sont particulièrement attrayants car les QD Ge sont plus susceptibles d'avoir une structure de bande interdite pseudo-directe pour une meilleure conversion de charge photonique que les QD Si, en raison d'un rayon de Bohr (αB) d'exciton plus grand de 24 nm dans Ge que dans Si ( αB, Si = 4,9 nm). Nos travaux précédents ont déjà rapporté des caractéristiques de fabrication expérimentale et de transfert en régime permanent (ID-VG) de Ge-QD SHT, comprenant un seul QD sphérique en Ge (20 nm de diamètre) auto-aligné avec des réservoirs source/drain de Si dopé au bore. via des barrières tunnel en SiO2/Si3N417. L'observation expérimentale de pics oscillatoires apériodiques avec un PVCR important (> 100) et de plateaux de courant avec une conductance différentielle négative à T = 4 – 40 K met en évidence nos SHT Ge-QD fonctionnant dans le régime de quelques trous. De grandes énergies d'addition sur un seul trou,> 100 meV et ~ 50 meV pour un nombre de trous variant de N = 0 → 1 et 1 → 2, respectivement, ont été extraites des pentes des diamants coulombiens17. Dans ce travail, nous avons avancé l'exploration de nos Ge QD-SHT pour la détermination de l'énergie de liaison des excitons en étudiant les effets de photoexcitation sur la spectroscopie de courant tunnel sous irradiations laser à onde continue à des longueurs d'onde (λ) de 400 à 1 550 nm. Nous avons observé que les photons avec des énergies supérieures à 1,45 eV sont capables d'exciter des pics de photocourant supplémentaires à des tensions de grille plus positives (VG = − 0,775 V et − 0,6 V/− 1,01 V) par rapport aux premier/deuxième pics de courant tunnel (à VG = − 0,82 V/− 1,23 V) correspondant aux états monotrou/deux trous mesurés dans l'obscurité. L'effet de la puissance irradiée sur l'intensité et la position des pics de photocourant nouvellement générés a été étudié.

− 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>