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Jul 26, 2023

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

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 14333 (2023) Citer cet article Détails des métriques Nous avons rapporté la détermination de l'énergie de liaison des excitons à l'aide de la spectroscopie à courant tunnel du Germanium (Ge)

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

Détails des métriques

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.