[논문 리뷰] Bright mid-infrared photoluminescence from high dislocation density epitaxial PbSe films on GaAs

Jarod Meyer, Aaron J. Muhowski외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 28.

Quantum Dots Synthesis And Properties참고 문헌 54인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 분자 빔 에pitaxial(EBE)을 통해 격자 불일치가 있는 GaAs(001) 기반에서 성장시킨 100 nm 이하의 에pitaxial PbSe 필름에서 3–7 µm 범위의 밝은 중적외선 광발광(photoluminescence)을 입증한다. 10⁹ cm⁻²를 초과하는 스레드 디스로케이션 밀도가 존재함에도 불구하고, 필름은 실온에서 소수성 실리콘 수명이 최대 172 ns이며, 약 30%의 최고 내부 양자 효율을 추정할 수 있으며, 이는 결함 내성과 비정상적으로 낮은 오퍼 재결합 속도에 기인한다.

ABSTRACT

We report on photoluminescence in the 3-7 $\mu$m mid-wave infrared (MWIR) range from sub-100 nm strained thin films of rocksalt PbSe(001) grown on GaAs(001) substrates by molecular beam epitaxy. These bare films, grown epitaxially at temperatures below 400 {\deg}C, luminesce brightly at room temperature and have minority carrier lifetimes as long as 172 ns. The relatively long lifetimes in PbSe thin films are achievable despite threading dislocation densities exceeding $10^9$ $cm^{-2}$ arising from island growth on the nearly 8% lattice- and crystal-structure-mismatched GaAs substrate. Using quasi-continuous-wave and time-resolved photoluminescence, we show Shockley-Read-Hall recombination is slow in our high dislocation density PbSe films at room temperature, a hallmark of defect tolerance. Power-dependent photoluminescence and high injection excess carrier lifetimes at room temperature suggest that degenerate Auger recombination limits the efficiency of our films, though the Auger recombination rates are significantly lower than equivalent, III-V bulk materials and even a bit slower than expectations for bulk PbSe. Consequently, the combined effects of defect tolerance and low Auger recombination rates yield an estimated peak internal quantum efficiency of roughly 30% at room temperature, unparalleled in the MWIR for a severely lattice-mismatched thin film. We anticipate substantial opportunities for improving performance by optimizing crystal growth as well as understanding Auger processes in thin films. These results highlight the unique opportunity to harness the unusual chemical bonding in PbSe and related IV-VI semiconductors for heterogeneously integrated mid-infrared light sources constrained by tight thermal budgets in new device designs.

연구 동기 및 목표

• 고디스로케이션 밀도가 높은 PbSe 필름이 GaAs 기반에서 광발광 및 실리콘 재결합 동역학을 연구하기.
• 이 필름에서 실리콘 수명이 제한되는 원인이 쇼크 ley-Read(H) 재결합인지, 오퍼 재결합인지 규명하기.
• PbSe가 이종 중적외선 발광 소스를 위한 결함 내성 및 저온 에pitaxial 재료로서의 잠재력을 평가하기.
• 격자 불일치와 응력이 발광 효율성과 실리콘 봉쇄에 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 분자 빔 에pitaxial(MBE)을 사용하여 400 °C 이하의 온도에서 GaAs(001) 기반에 100 nm 이하의 PbSe(001) 필름을 성장시켰다.
• 유도된 연속파(Quasi-continuous-wave, qCW) 및 시간 분 giải 광발광(TRPL)을 사용하여 다양한 유도 강도에서 방출 스펙트럼과 실리콘 수명을 측정했다.
• X선 회절 역공간 맵(RSM)을 사용하여 에pitaxial 필름의 결정 품질과 응력을 특성화했다.
• 출력 의존성 광발광 분석을 통해 SRH 제한 및 오퍼 제한 재결합 영역을 구분했다.
• 밴드 정렬과 격자 불일치의 역할을 평가하기 위해 InAs 및 GaSb 기반에서 성장한 PbSe 필름에 대한 비교 연구를 수행했다.
• 유도 의존 실리콘 수명 감쇠 분석을 통해 오퍼 재결합 계수를 추정했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs 기반에서 성장한 PbSe 필름의 높은 디스로케이션 밀도(>10⁹ cm⁻²)가 광발광 효율을 심각하게 악화시키는가?
• RQ2 이 필름에서 실온에서 주로 작용하는 비방출 채널은 쇼크리-리드(H) 재결합인지, 오퍼 재결합인지?
• RQ3 이 PbSe 필름의 오퍼 재결합 속도는 삼비화합물 III-V 반도체 및 밀도가 높은 PbSe와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 밴드 정렬(Type-I 대비 Type-II/III)이 다양한 기반에서 실리콘 봉쇄 및 발광 억제에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 PbSe의 결함 내성과 낮은 오퍼 재결합이 심한 격자 불일치 이종 구조에서 높은 내부 양자 효율(IQE)을 가능하게 하는가?

주요 결과

• GaAs(001) 기반 PbSe 필름은 스레드 디스로케이션 밀도가 10⁹ cm⁻²를 초과함에도 불구하고 실온에서 3–7 µm 범위의 밝은 중적외선 광발광을 나타낸다.
• 소수성 실리콘 수명은 실온에서 최대 172 ns에 이르며, 이는 느린 SRH 재결합과 강한 결함 내성의 징후이다.
• 낮은 유도 조건에서는 재결합이 SRH 제한; 높은 유도 조건에서는 오퍼 제한으로 전환되며, 이 속도는 동등한 III-V 재료보다 현저히 낮고, 밀도가 높은 PbSe의 예상보다도 더 느리다.
• 실온에서 추정된 최고 내부 양자 효율(IQE)은 약 30%에 이르며, 이는 심한 격자 불일치를 가진 얇은 필름에서 중적외선 범위에서 기록된 바 없다.
• GaAs 기반에서의 발광 강도는 더 격자 일치성이 높은 InAs나 GaSb 기반보다 더 강하며, 이는 PbSe/GaAs 이종 구조에서 유리한 Type-I 밴드 정렬이 존재함을 시사한다.
• 이종 통합에서 발생하는 열 응력이 이방성 응력 조절 및 중적외선 범위의 방출 및 흡수 조절을 위한 타당한 방법임을 입증했다.