Mid-infrared active PbTe/CdTe quantum dots: growth, optical properties and device applications
Description
The mid-infrared spectral region is of high interest for the field of molecular gas spectroscopy as most strong molecular absorption lines lie within this region. Applications of gas analysis are very widespread. For mid-infrared optoelectronic devices, the IV-VI or lead salt compounds are very well suited as these materials have almost mirror-like conduction and valence bands as well as low non-radiative Auger recombination rates. The use of quantum dots as active regions in such devices enables enhanced device performance because the reduction of the dimensionalty to zero results in discrete energy levels and a peaked electronic density of states. In this work, IV-VI PbTe quantum dots embedded in II-VI CdTe are investigated with respect to growth, luminescence and device applications. The dot formation is based on phase separation due to the immiscibility of narrow-gap PbTe and wide-gap CdTe and the minimization of the interface energies. Hence, two-dimensional PbTe layers embedded in CdTe spontaneously split up into isolated nanoprecipitates or quantum dots. The resulting dots are spherically shaped and exhibit atomically sharp interfaces. The miscibility gap arises from the difference in the crystal structure between rocksalt PbTe and zincblende CdTe. The emission wavelenght can be tuned by their size over a broad spectral region from 1.4 - 3.3 mym. The quantum dot size can be adjusted by the inital layer thickness or the PbTe growth temperature. The relation between the dot size and the emission energy was determined and compared to theoretical calculation. From transmission electron microscopy images, the dot size distributions were evaluated and the transition energies were obtained from photoluminescence experiments. The calculation of the transition energy as a function of dot size allows an energy to size conversion of the photoluminescence spectra. Additional control of the emission energy to higher values is obtained by alloying the PbTe quantum dots with SrTe, allowing a wide wavelength tunability of the emission. The incorporation of Sr also results in a drastic enhancement of the emission intensity, contrary to the strong non-radiative recombination found in bulk ternary alloys. Device applications of PbTe quantum dots as such as light emitting diode and the microdisk laser are presented. Electroluminescence is demonstrated up to room temperature for PbTe dots, embedded in the middle of an n-i-p Cd(Zn)Te junction. Lasing is shown for quantum dots up to 200K in continous wave mode at a wavelenght of 3.8 mym. Using pulsed excitation, the maximum laser operation temperature is raised to 300K. (author)
Availability note (English)
Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (Austria)Abstract (German)
Der mittlere infrarote Spektralbereich ist von großem Interesse für die Gasspektroskopie aufgrund der zahlreichen Molekül-Absorptionslinien in diesem Wellenlängenbereich.Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungen. Für optoeleketronische Infrarot Bauelemente ist die Verwendung von Bleisalz Verbindungen aufgrund ihrer fast spiegelsymmetrischen Leitungsund Valenzbänder und der geringen Auger Rekombinationsrate sehr geeignet. Für diese Bauelemente ist die Verwendung von Quantenpunkten als aktive Zone von Vorteil, da diese diskrete Energieniveaus und hohe Zustandsdichten aufweisen. In dieser Arbeit wurden IV-VI PbTe Quantenpunkte, die in einer II-VI CdTe Matrix eingebettet sind, in Hinblick auf Wachstum, Lumineszenz und technische Anwendungen untersucht. Die Quantenpunktsynthese basiert auf Phasenseperation aufgrund der nicht vorhandenen Mischbarkeit von PbTe und CdTe und der Minimierung der Grenzflächenenergie. Daher zerfällt eine in CdTe eingebettete zweidimensionale PbTe Schicht spontan in einzelne diskrete Nanokristalle. Die daraus resultierenden Quantenpunkte weisen eine nahezu sphärische Form mit atomar scharfen Grenzflächen auf. Die Mischbarkeits-Lücke ist Folge der unterschiedlichen Kristallstrukturen von Pb-Te mit Steinzalz Gitter, und CdTe mit Zinkblende Struktur. Die Emissionswellenlänge kann durch die Größe der Quantenpunkte über einen großen Spektralbereich von 1.4 - 3.3 mym eingestellt werden.Die Quantenpunktgröße kann über die ursprüngliche zwei-dimensionale Schichtdicke oder durch die Wachstumstemperatur kontrolliert werden. Die Abhängigkeit zwischen Quantenpunktdurchmesser und Übergangsenergien wurde experimentell bestimmt und mit theoretischer Rechnung verglichen. Anhand von Transmissionselektronenmikroskopiebildern wurde die Größenverteilung der Quantenpunkte evaluiert und die zugehörigen Übergangsenergien durch Photolumineszenz-Spektroskopie Messungen bestimmt. Die Rechnung der Übergangsenergie als Funktion der Quantenpunktgröße ermöglicht eine Energie-Größen Konversion der aufgenommenen Lumineszenz Spektren. Eine Verschiebung der Übergangsenergien zu höheren Werten kann auch durch Legierung der PbTe Quantenpunkte mit SrTe erzielt werden, was eine weite Durchstimmbarkeit der Emissionswellenlänge ermöglicht, insbesondere zu kürzeren Wellenlängen. Weiters führt der Einbau von Strontium in den Quantenpunkten zu einer drastischen Erhöhung in der Emissionsintensität. Technische Anwendungen der PbTe/CdTe Quantenpunkte, wie Leuchtdioden und Mikrodisk Laser werden präsentiert. Elektrolumineszenz von Leuchtdioden mit PbTe Quantenpunkten unterschiedlicher Größe, die in der Mitte einer n-i-p Cd(Zn)Te Zone eingebettet wurden, wurde bis Raumtemperatur erzielt. Laseremission von Quantenpunkten wurde im Dauerbetrieb bis 200K gezeigt mit einer Emissionswellenänge von 3.8 mym. Durch Verwendung von gepulster Anregung konnte die Arbeitstemperatur des Lasers auf 300K gesteigert werden.(author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 124 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 45049284
- Subject category
- S77: NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- CADMIUM TELLURIDES; ELECTROLUMINESCENCE; LEAD TELLURIDES; LIGHT EMITTING DIODES; OPTICAL PROPERTIES; PHOTOLUMINESCENCE; QUANTUM DOTS; TERNARY ALLOY SYSTEMS; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY
- Descriptors DEC
- ALLOY SYSTEMS; CADMIUM COMPOUNDS; CHALCOGENIDES; ELECTRON MICROSCOPY; EMISSION; LEAD COMPOUNDS; LUMINESCENCE; MICROSCOPY; NANOSTRUCTURES; PHOTON EMISSION; PHYSICAL PROPERTIES; SEMICONDUCTOR DEVICES; SEMICONDUCTOR DIODES; TELLURIDES; TELLURIUM COMPOUNDS