Ge 量子の光電流分光法を用いた励起子の結合エネルギーの決定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14333 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

我々は、405〜1550 nmの波長（λ）照明下で数ホール領域で動作するゲルマニウム（Ge）量子ドット（QD）シングルホールトランジスタ（SHT）のトンネル電流分光法を使用した励起子結合エネルギーの決定を報告しました。光子エネルギーが20 nm Ge QDのバンドギャップエネルギー（1.46 eV）より小さい場合（たとえば、λ = 1310 nmと1550 nmの照明）、光子エネルギーを照射してもトンネル電流分光のピーク電圧は変化しません。電力密度は 10 µW/µm2 にも達します。対照的に、最初のホールトンネル電流ピークの正の VG へのかなりのシフトが誘発され (ΔVG ≈ 0.08 V (0.33 nW/µm2 で 0.15 V、1.4 nW/µm2 で 0.15 V))、さらに高い正の VG 値で追加の光電流ピークが生成されます。 λ = 850 nm (光子エネルギーが 20 nm Ge QD のバンドギャップエネルギーと一致する) での照射による (10 nW/µm2 照射で ΔVG ≈ 0.2 V)。これらの実験観察は、Ge-QD SHT がはるかに低い光出力条件で λ = 405 nm レーザーで照射されたときにさらに強化されました。新たに光生成された電流ピークは、励起子、励起子分子、および正のトリオン錯体の寄与に起因すると考えられます。さらに、励起子の結合エネルギーは、トンネル電流スペクトルを分析することによって決定できます。

トンネル障壁およびゲート誘電体層を介してそれぞれソース/ドレインリザーバおよびプランジャゲートに容量結合された単一のQDを含む、単一電子または単一ホールトランジスタ(SET/SHT)は、トンネル電流を制御する電子デバイスの究極の実施形態である。クーロンブロッケード効果に基づくシングルチャージ精度を備えています。 QD-SET (または SHT) は、固有の電荷数の識別能力により、電荷検出とスピン量子ビットの電荷検出とスピン量子ビットの比類のない読み出しデバイスになります 1,2,3,4,5,6 、7。高い電荷感度のおかげで、SET と SHT は両方とも光検出の感度も高いことが期待されます。光子が吸収されると、光生成された電子正孔対により、SET/SHT の微分コンダクタンスとトンネル電流分光法が変化します 8、9、10、11、12。さらに、室温における SHT の大きなピーク対バレー電流比 (PVCR) は、SHT が他の高レベル励起からのノイズを抑制できることを示唆しています 13,14。したがって、SHT ベースの光検出器には、高感度と低ノイズという利点があります。さらに、正孔は電子よりも有効質量が大きいため、正孔間の充電エネルギー (Uhh) は電子間の充電エネルギー (Uee) よりも大きくなります。その結果、SHT は励起子分子と励起子輸送プロセスを含むトンネル電流スペクトルを区別することが容易になるでしょう 12。

CMOS 製造技術の進歩のおかげで、小さな Si QD13 または Ge QD14、15、16、17、18 を使用して、少数電荷領域での SHT の動作が実験的に実証されています。 Ge-QD SHT は、Si よりも Ge の励起子ボーア半径 (αB) が 24 nm と大きいため、Ge QD は Si QD よりも優れた光子電荷変換のための擬似直接バンドギャップ構造を持つ可能性が高いため、特に魅力的です ( αB、Si = 4.9 nm)。私たちの以前の研究では、ホウ素ドープSiのソース/ドレインリザーバと自己整合した単一のGe球状量子ドット（直径20nm）を含むGe-QD SHTの実験的作製と定常状態伝達特性（ID-VG）をすでに報告しています。 SiO2/Si3N417 のトンネル障壁を介して。 T = 4 – 40 Kでの大きなPVCR（> 100）を伴う非周期振動ピークと負の微分コンダクタンスを伴う電流プラトーの実験的観察は、当社のGe-QD SHTが数ホール領域で動作していることを証明しています。 N = 0 → 1 および 1 → 2 に変化する正孔数に対して、それぞれ > 100 meV および ~ 50 meV の大きな単正孔付加エネルギーが、クーロンダイヤモンドの傾斜から抽出されました 17。この研究では、波長 (λ) 400 ～ 1550 nm の連続波レーザー照射下でのトンネル電流分光法に対する光励起効果を研究することにより、励起子結合エネルギー決定のための Ge QD-SHT の探索を進めました。 1.45 eV を超えるエネルギーを持つ光子は、最初/2 番目のトンネル電流ピーク (VG で) と比較して、より正のゲート電圧 (VG = − 0.775 V および − 0.6 V/− 1.01 V) で追加の光電流ピークを励起できることを観察しました。 = − 0.82 V/− 1.23 V）は、暗闇で測定された単一穴/二穴状態に対応します。新たに生成された光電流ピークの強度と位置に対する照射電力の影響を研究しました。

− 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>