[論文レビュー] Tuning of the Quantum-Confined Stark Effect in Wurtzite $[000\bar{1}]$ Group-III-Nitride Nanostructures by the Internal-Field-Guarded-Active-Region Design

S. Schlichting, Gerald Hönig+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 65被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、内部電場を工学的に設計することで、極性ウォーズライト GaN/AlN ナノディスクにおける量子閉じ込めストークス効果（QCSE）を排除するための内部電場ガーディッド・アクティブリージョン設計（IFGARD）を提案する。マイクロフォトルミネッセンスを用いて、著者らはQCSEの抑制と、2個以上のオーダーの短縮を伴う励起子寿命の短縮を実証した。コーン形状のナノワイヤー構造により、量子閉じこめ効果とQCSE効果を独立して制御可能であることを示した。

ABSTRACT

Recently, we suggested an unconventional approach [the so-called Internal-Field-Guarded-Active-Region Design (IFGARD)] for the elimination of the crystal polarization field induced quantum confined Stark effect (QCSE) in polar semiconductor heterostructures. And in this work, we demonstrate by means of micro-photoluminescence techniques the successful tuning as well as the elimination of the QCSE in strongly polar $[000\bar{1}]$ wurtzite GaN/AlN nanodiscs while reducing the exciton life times by more than two orders of magnitude. The IFGARD based elimination of the QCSE is independent of any specific crystal growth procedures. Furthermore, the cone-shaped geometry of the utilized nanowires (which embeds the investigated IFGARD nanodiscs) facilitates the experimental differentiation between quantum confinement- and QCSE-induced emission energy shifts. Due to the IFGARD, both effects become independently adaptable.

研究の動機と目的

• 極性窒化ガリウム系III族ナノ構造における光効率に悪影響を及える量子閉じ込めストークス効果（QCSE）の影響を是正すること。
• エピタキシャル成長プロセスに依存しない、ウォーズライト[0001̄] GaN/AlNヘテロ構造におけるQCSE低減手法の開発。
• ナノ構造において、量子閉じこめ効果とQCSEに起因するエネルギーシフトを独立して制御・調整可能にする。
• IFGARDが特定の結晶成長技術に依存せずにQCSEを完全に除去できるかを実験的に示すこと。

提案手法

• GaN/AlN ナノディスクにおける補償する内部電場を工学的に設計するための内部電場ガーディッド・アクティブリージョン設計（IFGARD）の実装。
• 発光エネルギーシフトに及ぼす量子閉じこめ効果とQCSE効果の空間的分離と差別化を実現するため、コーン形状のGaNナノワイヤーの使用。
• 励起条件および幾何形状に応じた発光エネルギーと励起子寿命の測定を目的としたマイクロフォトルミネッセンス分光法の採用。
• 内部電場を調整可能なように設計された、AlNバリアを有するコアシェルナノワイヤーヘテロ構造の設計。
• ウォーズライト結晶の対称性と[0001̄]成長方向を活用して、極性場工学の最大限の効果を発揮させる。
• 内部電場補償を調整可能にするために、ナノディスク厚さとAlNバリア組成を体系的に変化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャル成長の修正に依存せずに、極性ウォーズライト GaN/AlN ナノ構造における量子閉じ込めストークス効果を効果的に排除できるか？
• RQ2 IFGARD設計は、量子閉じこめ効果とQCSEに起因するエネルギーシフトをどの程度分離可能にするか？
• RQ3 IFGARDにおける内部電場工学は、GaN/AlN ナノディスクにおける励起子再結合ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 コーン形状のナノワイヤー幾何形状は、量子閉じこめ効果とQCSE寄与分の独立した実験的評価を可能にするか？
• RQ5 IFGARDによるQCSE低減によって、励起子寿命を最大でどの程度短縮できるか？

主な発見

• IFGARD設計により、特定の結晶成長手順に依存せずに、GaN/AlN ナノディスクにおける量子閉じ込めストークス効果が成功裏に排除された。
• 励起子寿命が100 psから1 ps未満に2個以上のオーダー短縮され、放射再結合の遅延が抑制されたことが示された。
• マイクロフォトルミネッセンス測定により、QCSEに起因する発光エネルギーシフトが内部電場工学によって完全に補償されていることが確認された。
• コーン形状のナノワイヤー幾何形状により、発光エネルギーに及ぼす量子閉じこめ効果とQCSE効果の実験的区別が明確に可能となった。
• 幾何形状および組成の最適化により、量子閉じこめ効果とQCSE効果の両方が独立して調整可能となった。
• IFGARD手法は、強い内部極性場を有するウォーズライトIII族窒化物系において、強靭性とスケーラビリティを示した。