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Jul 26, 2023

Determinação da energia de ligação do exciton usando espectroscopia de fotocorrente de Ge quantum

Relatórios Científicos volume 13, número do artigo: 14333 (2023) Citar este artigo Detalhes de métricas Relatamos a determinação da energia de ligação do exciton usando espectroscopia de corrente de tunelamento de germânio (Ge)

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14333 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Relatamos a determinação da energia de ligação do exciton usando espectroscopia de corrente de tunelamento de transistores de ponto quântico (QD) de germânio (Ge) de furo único (SHTs) operando no regime de poucos furos, sob iluminação de comprimento de onda de 405-1550 nm (λ). Quando a energia do fóton é menor que a energia do bandgap (1,46 eV) de um Ge QD de 20 nm (por exemplo, λ = iluminações de 1310 nm e 1550 nm), não há mudança nas tensões de pico da espectroscopia de corrente de tunelamento, mesmo quando a irradiação a densidade de potência chega a 10 µW/µm2. Em contraste, uma mudança considerável no primeiro pico de corrente de tunelamento em direção a VG positivo é induzida (ΔVG ≈ 0,08 V a 0,33 nW/µm2 e 0,15 V a 1,4 nW/µm2) e até mesmo picos de fotocorrente adicionais são criados em valores VG positivos mais elevados (ΔVG ≈ 0,2 V a 10 nW/µm2 de irradiação) por iluminação em λ = 850 nm (onde a energia do fóton corresponde à energia do bandgap do Ge QD de 20 nm). Estas observações experimentais foram ainda mais fortalecidas quando os SHTs Ge-QD foram iluminados por lasers λ = 405 nm em condições de potência óptica muito mais baixas. Os picos de corrente recém-fotogerados são atribuídos à contribuição de complexos exciton, biexciton e trion positivos. Além disso, a energia de ligação do exciton pode ser determinada analisando os espectros da corrente de tunelamento.

Transistores de elétron único ou de furo único (SETs/SHTs), compreendendo um único QD acoplado capacitivamente a reservatórios de fonte/dreno e comportas de êmbolo através de barreiras de tunelamento e camadas dielétricas de porta, respectivamente, são a modalidade definitiva para dispositivos eletrônicos que controlam a corrente de tunelamento com precisão de carga única baseada nos efeitos de bloqueio de Coulomb. Sua distinção inerente de número de carga torna os QD-SETs (ou SHTs) um dispositivo de leitura incomparável para qubits de carga e spin em termos de detecção de carga e conversão de rotação para carga, respectivamente 1,2,3,4,5,6 ,7. Graças à sua alta sensibilidade à carga, prevê-se que tanto os SETs quanto os SHTs sejam altamente sensíveis para fotodetecção. Uma vez absorvidos os fótons, os pares elétron-buraco fotogerados resultam em mudanças na condutância diferencial e na espectroscopia de corrente de tunelamento de SETs / SHTs . Além disso, a grande relação de corrente pico-vale (PVCR) dos SHTs à temperatura ambiente sugere que os SHTs são capazes de suprimir o ruído de outras excitações de alto nível . Portanto, os fotodetectores baseados em SHT oferecem vantagens de alta sensibilidade e baixo ruído. Além disso, a energia de carga buraco-buraco (Uhh) é maior do que a energia de carga elétron-elétron (Uee), uma vez que os buracos têm uma massa efetiva maior que a dos elétrons. Conseqüentemente, seria mais fácil para os SHTs distinguirem espectros de corrente de tunelamento envolvendo processos de transporte de biexcitons e excitons .

Graças aos avanços na tecnologia de fabricação de CMOS, a operação de SHTs no regime de poucas cargas foi demonstrada experimentalmente usando pequenos Si QDs ou Ge QDs . SHTs Ge-QD são particularmente atraentes porque Ge QDs são mais propensos a ter uma estrutura de bandgap pseudo-direta para melhor conversão de carga de fótons do que Si QDs, devido a um raio de Bohr de exciton maior (αB) de 24 nm em Ge do que em Si ( αB, Si = 4,9 nm). Nosso trabalho anterior já relatou fabricação experimental e características de transferência de estado estacionário (ID-VG) de SHTs Ge-QD, compreendendo um único QD esférico de Ge (20 nm de diâmetro) auto-alinhado com reservatórios de fonte/dreno de Si dopado com boro através de barreiras de tunelamento de SiO2/Si3N417. A observação experimental de picos oscilatórios aperiódicos com grande PVCR (> 100) e platôs de corrente com condutância diferencial negativa em T = 4 - 40 K evidencia nossos SHTs Ge-QD operando no regime de poucos furos. Grandes energias de adição de furo único de> 100 meV e ~ 50 meV para o número de furos variando de N = 0 → 1 e 1 → 2, respectivamente, foram extraídas das encostas dos diamantes de Coulomb . Neste trabalho, avançamos na exploração de nossos Ge QD-SHTs para determinação de energia de ligação de excitons, estudando os efeitos de fotoexcitação na espectroscopia de corrente de tunelamento sob irradiações de laser de onda contínua em comprimentos de onda (λ) de 400–1550 nm. Observamos que fótons com energias superiores a 1,45 eV são capazes de excitar picos de fotocorrente adicionais em tensões de porta mais positivas (VG = - 0,775 V e - 0,6 V/- 1,01 V) em relação ao primeiro/segundo picos de corrente de tunelamento (em VG = − 0,82 V/− 1,23 V) correspondendo aos estados de furo único/dois furos medidos na escuridão. O efeito da potência irradiada na intensidade e posição dos picos de fotocorrente recém-gerados foi estudado.