Scanning tunneling spectroscopy of semiconductor quantum-well structures
Etude de puits quantiques semiconducteurs par microscopie et spectroscopie à effet tunnel
Résumé
Low-temperature scanning tunneling spectroscopy (STS) under ultrahigh vacuum was used to investigate In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As quantum-well (QW) structures, grown by molecular beam epitaxy on lattice-matched InP(111)A substrates. In a first part, as a preliminary step, the (111)A epitaxial surface of n-type In0.53 Ga0.47 As was studied by STS. It was found that the surface Fermi level is located in the conduction band, close to the bulk Fermi level, and can be partially controlled by varying the n-type impurity density in the bulk. This result was confirmed by determining the conduction-band dispersion relation at the surface. Such partial unpinning of the surface Fermi level indicates a low density of acceptorlike surface states. It was proposed that these states originate from native point defects located at the surface. In a second part, based on the results of the first part, (111)A-oriented In0.53 Ga0.47 As surface QWs grown on top of In0.52 Al0.48 As barriers were studied by STS. The STS measurements were performed at the (111)A epitaxial surface of the In0.53 Ga0.47 As QW, in order to probe with nanometer-scale resolution the in-plane spatial distribution of electronic local density of states. It was confirmed that electron subbands are formed in the QW, and that the electron density in the QW can be varied owing to the partial unpinning of the surface Fermi level. It was found that a phenomenon of percolation of localized states occurs in each subband tail, due to the presence of a disorder potential in the QW. The percolation thresholds were determined by using a semiclassical model. The origin of the disorder potential was ascribed to the random distribution of the native point defects at the QW surface. It was also found that a bound state splits off from each subband minimum in the vicinity of a positively charged native point defect. Both the binding energy and the Bohr radius of the bound states could be directly determined. Moreover, it was shown that the binding energy and the Bohr radius are functions of the QW thickness, in quantitative agreement with variational calculations of hydrogenic impurity states.
Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.
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