Determinazione dell'energia di legame degli eccitoni mediante spettroscopia fotocorrente del quanto di Ge

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14333 (2023) Citare questo articolo

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Abbiamo riportato la determinazione dell'energia di legame degli eccitoni utilizzando la spettroscopia a corrente tunnel di transistor a foro singolo (SHT) a punto quantico (QD) di germanio (Ge) operanti nel regime di pochi fori, con illuminazione di lunghezza d'onda (λ) di 405-1550 nm. Quando l'energia del fotone è inferiore all'energia del bandgap (1,46 eV) di un QD Ge da 20 nm (ad esempio, λ = 1310 nm e illuminazioni da 1550 nm), non vi è alcun cambiamento nelle tensioni di picco della spettroscopia di corrente tunneling anche quando l'irradiazione la densità di potenza raggiunge i 10 µW/μm2. Al contrario, viene indotto uno spostamento considerevole del primo picco di corrente del tunneling verso VG positivo (ΔVG ≈ 0,08 V a 0,33 nW/μm2 e 0,15 V a 1,4 nW/μm2) e vengono creati anche ulteriori picchi di fotocorrente a valori VG positivi più elevati (ΔVG ≈ 0,2 V con irradiazione di 10 nW/μm2) mediante illuminazione a λ = 850 nm (dove l'energia del fotone corrisponde all'energia del bandgap del Ge QD da 20 nm). Queste osservazioni sperimentali sono state ulteriormente rafforzate quando gli SHT Ge-QD sono stati illuminati da laser λ = 405 nm in condizioni di potenza ottica molto più basse. I picchi di corrente appena fotogenerati sono attribuiti al contributo di eccitoni, bieccitoni e complessi trionici positivi. Inoltre, l'energia di legame degli eccitoni può essere determinata analizzando gli spettri della corrente di tunneling.

I transistor a singolo elettrone o a singolo foro (SET/SHT), comprendenti un singolo QD accoppiato capacitivamente a serbatoi source/drain e pistoni-gate attraverso barriere di tunneling e strati dielettrici di gate, rispettivamente, sono la forma di realizzazione definitiva per i dispositivi elettronici che controllano la corrente di tunneling con precisione a carica singola basata sugli effetti di blocco di Coulomb. La loro intrinseca distinguibilità del numero di carica rende i QD-SET (o SHT) un dispositivo di lettura senza rivali per qubit di carica e spin in termini di rilevamento di carica e conversione spin-carica, rispettivamente1,2,3,4,5,6 ,7. Grazie alla loro elevata sensibilità alla carica, si prevede che sia i SET che gli SHT siano anche altamente sensibili al fotorilevamento. Una volta assorbiti i fotoni, le coppie elettrone-lacuna fotogenerate determinano cambiamenti nella conduttanza differenziale e nella spettroscopia della corrente di tunneling dei SET/SHT8,9,10,11,12. Inoltre, l'ampio rapporto corrente picco-valle (PVCR) degli SHT a temperatura ambiente suggerisce che gli SHT sono in grado di sopprimere il rumore proveniente da altre eccitazioni di alto livello13,14. Pertanto, i fotorilevatori basati su SHT offrono vantaggi di alta sensibilità e basso rumore. Inoltre, l’energia di carica buco-buco (Uhh) è maggiore dell’energia di carica elettrone-elettrone (Uee) poiché i buchi hanno una massa effettiva maggiore degli elettroni. Di conseguenza, sarebbe più facile per gli SHT distinguere gli spettri di corrente di tunneling che coinvolgono i processi di trasporto di bieccitoni e di eccitoni12.

Grazie ai progressi nella tecnologia di fabbricazione CMOS, il funzionamento degli SHT nel regime di poche cariche è stato dimostrato sperimentalmente utilizzando piccoli Si QD13 o Ge QD14,15,16,17,18. Gli SHT Ge-QD sono particolarmente attraenti perché i QD Ge hanno maggiori probabilità di avere una struttura di banda proibita pseudo-diretta per una migliore conversione della carica fotonica rispetto ai QD Si, a causa di un raggio di Bohr dell'eccitone più grande (αB) di 24 nm nel Ge che nel Si ( αB, Si = 4,9 nm). Il nostro lavoro precedente ha già riportato la fabbricazione sperimentale e le caratteristiche di trasferimento allo stato stazionario (ID-VG) di SHT Ge-QD, comprendenti un singolo QD sferico di Ge (20 nm di diametro) autoallineato con serbatoi di source/drain di Si drogato con boro tramite barriere tunneling di SiO2/Si3N417. L'osservazione sperimentale di picchi oscillatori aperiodici con ampio PVCR (> 100) e plateau di corrente con conduttanza differenziale negativa a T = 4 - 40 K evidenzia che i nostri SHT Ge-QD operano nel regime di pochi fori. Grandi energie di addizione a foro singolo > 100 meV e ~ 50 meV per il numero di fori che cambia da N = 0 → 1 e 1 → 2, rispettivamente, sono state estratte dalle pendici dei diamanti di Coulomb17. In questo lavoro, abbiamo avanzato l'esplorazione dei nostri Ge QD-SHT per la determinazione dell'energia di legame degli eccitoni studiando gli effetti di fotoeccitazione sulla spettroscopia di corrente tunneling sotto irradiazioni laser a onda continua a lunghezze d'onda (λ) di 400-1550 nm. Abbiamo osservato che i fotoni con energie maggiori di 1,45 eV sono in grado di eccitare ulteriori picchi di fotocorrente a tensioni di gate più positive (VG = − 0,775 V e − 0,6 V/− 1,01 V) rispetto al primo/secondo picco di corrente di tunneling (a VG = − 0,82 V/− 1,23 V) corrispondenti agli stati a foro singolo/a due fori misurati al buio. Sono stati studiati gli effetti della potenza irradiata sull'intensità e sulla posizione dei picchi di fotocorrente appena generati.