[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出内部场保护有源区设计（IFGARD），通过调控内建电场，消除了极性纤锌矿 GaN/AlN 纳米盘中的量子限域斯塔尔效应（QCSE）。利用微区光致发光，作者展示了 QCSE 的抑制以及激子寿命超过两个数量级的降低，且通过截锥形纳米线结构实现了对量子限域与 QCSE 效应的独立调控。

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.

研究动机与目标

• 为解决量子限域斯塔尔效应（QCSE）对极性族 III-氮化物纳米结构光电转换效率的负面影响。
• 开发一种不依赖外延生长工艺的纤锌矿 [0001̄] GaN/AlN 异质结构中 QCSE 抑制方法。
• 实现在纳米结构中对量子限域与 QCSE 引起的能量位移的独立控制与调节。
• 实验验证 IFGARD 可在不依赖特定晶体外延技术的前提下消除 QCSE。

提出的方法

• 实施内部场保护有源区设计（IFGARD），以在 GaN/AlN 纳米盘中工程化补偿性内建电场。
• 利用截锥形 GaN 纳米线，实现对量子限域与 QCSE 对发射能量位移贡献的空间分离与区分。
• 采用微区光致发光光谱技术，测量激发功率与几何结构依赖的发射能量及激子寿命。
• 设计核壳结构纳米线异质结构，通过定制 AlN 势垒调节内建电场。
• 利用纤锌矿晶体对称性与 [0001̄] 生长取向，最大化极化场工程能力。
• 系统性地改变纳米盘厚度与 AlN 势垒组分，以调节内建场补偿效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不依赖外延生长改性的前提下，有效消除极性纤锌矿 GaN/AlN 纳米结构中的量子限域斯塔尔效应？
• RQ2 IFGARD 设计在多大程度上可实现量子限域效应与 QCSE 引起的能量位移的解耦？
• RQ3 IFGARD 中的内建场工程如何影响 GaN/AlN 纳米盘中激子复合动力学？
• RQ4 截锥形纳米线结构是否可实现对量子限域与 QCSE 贡献的独立实验探测？
• RQ5 通过 IFGARD 抑制 QCSE，激子寿命的最大可实现缩短幅度是多少？

主要发现

• IFGARD 设计成功在不依赖特定晶体外延工艺的前提下，消除了 GaN/AlN 纳米盘中的量子限域斯塔尔效应。
• 激子寿命降低了超过两个数量级，从约 100 ps 降低至 1 ps 以下，表明辐射复合延迟被有效抑制。
• 微区光致发光测量证实，通过内建场工程，QCSE 引起的发射能量位移得到了完全补偿。
• 截锥形纳米线结构使量子限域与 QCSE 对发射能量的贡献得以在实验上清晰区分。
• 通过异质结构的几何与组分工程，量子限域与 QCSE 效应均可实现独立调控。
• IFGARD 方法在具有强内建极化场的纤锌矿族 III-氮化物体系中表现出优异的鲁棒性与可扩展性。