Optical properties of stacked inP/GaAs quantum dots

Orientador: Fernando IikawaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Nesta dissertação, estudamos as propriedades ópticas e estruturais de pontos quânticos (QDs) empilhados de InP/GaAs, crescidos por método de auto-formação, conhecido como o modo Stranskii-Krastanov, em um sistema de epitaxia por feixe químico. Os pontos quânticos de InP/GaAs possuem alinhamento das bandas tipo-II nas interfaces, onde somente o elétron fica confinado no QD, enquanto o buraco fica localizado em volta dele na camada de GaAs atraído pelo elétron. Investigamos amostras com diferentes separação d entre duas camadas de QDs de InP, variando de 3 a 12 nm. As análises estruturais foram feitas por técnica microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e as análises ópticas por fotoluminescência de feixe contínuo (PL-CW) e de resolvida no tempo (PL-RT) com a temperatura variando de 2 a 120 K. As imagens de TEM mostram alinhamento vertical dos QDs e maiores tamanhos para os que estão na segunda camada. As medidas de PL-CW, a baixas temperaturas, apresentam largura de linha da banda de emissão mais estreita e simétrica nas amostras de QDs empilhados do que a de amostra de uma camada simples. Isso é atribuído à maior uniformidade de tamanhos de QDs da segunda camada. Atribuímos aos efeitos de acoplamento quântico e de tunelamento dos portadores entre QDs, à redução de energia do pico de PL com a diminuição de d. Observamos que o decaimento temporal de PL é independente de d e é relativamente rápido, ~0,6 ns, para uma estrutura com alinhamento de banda tipo-II. Isso sugere a presença de outros canais de captura de portadores de cargas reduzindo o tempo de vida dos éxcitons em nossos QDs. Observamos também uma redução do tempo de vida na região de maior energia de emissão em todas as amostras, indicando a transferência de portadores de cargas dos QDs muito pequenos para os grandes. O aumento da temperatura resultou na redução da energia de transição e da intensidade integrada nas medidas de PL-CW, bem como, do tempo de vida dos éxcitons. A redução da energia de transição se deve à transferência de elétrons dos QDs pequenos para grandes via wetting layer, devido à excitação térmica. Mas a contribuição desse efeito é menor nas amostras de QDs empilhados, devido aos efeitos de tunelamento dos elétrons entre QDs alinhados e à uniformidade dos tamanhos. A redução da intensidade integrada de PL e no tempo de decaimento se deve a excitação térmica do elétron para o estado contínuo da wetting layerAbstract: We studied the optical and structural properties of stacked InP/GaAs quantum dots (QD) grown by the self-organized Stranskii-Krastanov mode in a chemical beam epitaxy system. The InP/GaAs quantum dots present type-II band alignment, where only the electron is confined in the QD, while the hole is localized around it, in the GaAs layer, due to the Coulomb attraction. We investigated samples with different space-layer d between two stacked InP QDs varying from 3 to 12 nm. The structural analysis was performed by using transmission electronic microscopy (TEM) and the optical analysis by using continuous wave (CW) and time-resolved (TR) photoluminescence (PL) techniques with temperature varying from 2 to 120 K. The TEM images show clear vertical alignment of quantum dots and slightly larger size for QDs of the second layer. The CW-PL spectra measured at low temperatures present narrower QD emission band and more symmetric for stacked QDs samples than single layer one. This is attributed to the uniformity of the QDs in double layers samples. We also observed the PL red-shift with the reduction of d, which is attributed to the quantum coupling and the tunneling effects of the carriers between aligned QDs. We observed that the PL decay time is independent of d and is relatively fast, ~0,6 ns, for a structure with type-II band alignment. This suggests the presence of other carrier capture channels that reduce significantly the exciton lifetime in our QDs. The carrier lifetime is shorter in the higher emission energy region in all samples, indicating the carrier transference from the smaller QDs to the larger ones. Increasing the temperature we observed a reduction of the transition energy and the integrated CW-PL intensity, as well as, of the exciton lifetime. The energy shift is due to the electron transference from the small QDs to the larger ones, through wetting layer, due to the thermal excitation. The contribution of this effect is smaller on the stacked QDs, due to the dot uniformity and the electron tunneling effect. The reduction of the CW-PL integrated intensity and the carrier decay time is due to the thermal excitation of the electron to the continuous state of the wetting layerMestradoFísica da Matéria CondensadaMestre em Físic