Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots

Philippe Boucaud; Sébastien Sauvage

doi:10.1016/j.crhy.2003.10.020

Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots
[Photodétection infrarouge avec les boı̂tes quantiques semi-conductrices auto-assemblées]

Présenté par : Guy Laval

Philippe Boucaud ¹ ; Sébastien Sauvage ¹

¹ Institut d'électronique fondamentale, unité mixte de recherche CNRS 8622, bâtiment 220, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France

Comptes Rendus. Physique, ir vision: from chip to image, Volume 4 (2003) no. 10, pp. 1133-1154.

Abstract (VO)
Résumé

Semiconductor self-assembled quantum dots are potential candidates to develop a new class of midinfrared quantum photodetectors and focal plane arrays. In this article, we present the specific midinfrared properties of InAs/GaAs quantum dots associated with the intersublevel transitions. The electronic structure, which accounts for the strain field in the islands, is obtained within the framework of a three-dimensional 8 band $k . p$ formalism. The midinfrared intersublevel absorption in n-doped quantum dots is described. We show that the carrier dynamics can be understood in terms of polarons which result from the strong coupling regime for the electron–phonon interaction in the dots. The principle of operation of vertical and lateral quantum dot infrared photodetectors is described and discussed by comparison with quantum well infrared photodetectors. We review the performances of different type of detectors developed to date and finally give some orientation to realize high performance quantum dot infrared photodetectors.

Les boı̂tes quantiques semi-conductrices auto-assemblées sont des candidates pour le développement d'une nouvelle classe de photodétecteurs quantiques et de matrices fonctionnant dans le moyen infrarouge. Dans cet article, nous décrivons les propriétés des transitions intersousniveaux des boı̂tes quantiques InAs/GaAs. La structure électronique qui tient compte du champ de contrainte dans les boı̂tes est obtenue dans un formalisme $k . p$ à 8 bandes en tenant compte du confinement tridimensionnel. L'absorption intersousniveaux dans le moyen infrarouge de boı̂tes quantiques dopées n est décrite. Nous montrons que la dynamique des porteurs peut être comprise dans le cadre d'une théorie de polarons qui résulte du régime de couplage fort pour l'interaction électron–phonon dans les boı̂tes. Le principe de fonctionnement de photodétecteurs moyen infrarouge à boı̂tes quantiques verticaux et latéraux est décrit et discuté par référence à celui des photodétecteurs à puits quantiques. Les performances de différents types de détecteurs développés à ce jour sont présentées et nous donnons des directions pour la réalisation de photodétecteurs moyen infrarouge à boı̂tes quantiques performants.

Publié le : 2003-12-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2003.10.020

Affiliations des auteurs :

Philippe Boucaud ¹ ; Sébastien Sauvage ¹

¹ Institut d'électronique fondamentale, unité mixte de recherche CNRS 8622, bâtiment 220, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France

@article{CRPHYS_2003__4_10_1133_0,
     author = {Philippe Boucaud and S\'ebastien Sauvage},
     title = {Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {1133--1154},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {4},
     number = {10},
     year = {2003},
     doi = {10.1016/j.crhy.2003.10.020},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - Philippe Boucaud
AU  - Sébastien Sauvage
TI  - Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2003
SP  - 1133
EP  - 1154
VL  - 4
IS  - 10
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2003.10.020
LA  - en
ID  - CRPHYS_2003__4_10_1133_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Philippe Boucaud
%A Sébastien Sauvage
%T Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2003
%P 1133-1154
%V 4
%N 10
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2003.10.020
%G en
%F CRPHYS_2003__4_10_1133_0

Philippe Boucaud; Sébastien Sauvage. Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots. Comptes Rendus. Physique, ir vision: from chip to image, Volume 4 (2003) no. 10, pp. 1133-1154. doi : 10.1016/j.crhy.2003.10.020. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2003.10.020/

Bibliographie
Cité par

[1] L.C. West; S.J. Eglash Appl. Phys. Lett., 46 (1986), p. 1156

[2] B.F. Levine J. Appl. Phys., 74 (1993), p. R1

[3] U. Bockelmann; G. Bastard Phys. Rev. B, 42 (1990), p. 8947

[4] S. Tarucha; D.G. Austing; T. Honda; R.J. Van der Hage; L.P. Kouwenhoven Phys. Rev. Lett., 77 (1997), p. 3613

[5] R.H. Blick; R.J. Haug; J. Weis; D. Pfannkuche; K.V. Klitzing; K. Eberl Phys. Rev. B, 53 (1996), p. 7899

[6] Ch. Sikorski; U. Merkt Phys. Rev. Lett., 62 (1989), p. 2164

[7] T. Demel; D. Heitmann; P. Grambow; K. Ploog Phys. Rev. Lett., 64 (1990), p. 788

[8] I.N. Stranski; L. Krastanow Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien Math. Naturwiss. K1 Abt. 2B Chemie, 146 (1937), p. 797

[9] L. Goldstein; F. Glas; J.Y. Marzin; M.N. Charasse; G. Le Roux Appl. Phys. Lett., 47 (1985), p. 1099

[10] Y.W. Mo; D.E. Savage; B.S. Swartzentruber; M.G. Lagally Phys. Rev. Lett., 65 (1990), p. 1020

[11] J.M. Gérard; J.Y. Marzin; G. Zimmermann; A. Ponchet; O. Cabrol; D. Barrier; B. Jusserand; B. Sermage Solid State Electron., 40 (1996), p. 807

[12] M. Grundmann; O. Stier; D. Bimberg Phys. Rev. B, 52 (1995), p. 11969

[13] H. Lee; R. Lowe-Webb; W. Yang; P.C. Sercel Appl. Phys. Lett., 72 (1998), p. 812

[14] J.-Y. Marzin; G. Bastard Solid State Commun., 92 (1994), p. 437

[15] Ph. Lelong; G. Bastard Solid State Commun., 98 (1996), p. 819

[16] L.R.C. Fonseca; J.L. Jimenez; J.P. Leburton; R.M. Martin Phys. Rev. B, 57 (1998), p. 4017

[17] A. Wojs; P. Hawrylak; S. Fafard; L. Jacak Phys. Rev. B, 54 (1996), p. 5604

[18] S. Sauvage; P. Boucaud; J.-M. Gérard; V. Thierry-Mieg Phys. Rev. B, 58 (1998), p. 10562

[19] M.A. Cusack; P.R. Briddon; M. Jaros Phys. Rev. B, 54 (1996), p. R2300

[20] M.A. Cusack; P.R. Briddon; M. Jaros Phys. Rev. B, 56 (1997), p. 4047

[21] H. Jiang; J. Singh Appl. Phys. Lett., 71 (1997), p. 3239

[22] H. Jiang; J. Singh Phys. Rev. B, 56 (1997), p. 4696

[23] C. Pryor Phys. Rev. B, 57 (1998), p. 7190

[24] W. Sheng; J.-P. Leburton Appl. Phys. Lett., 78 (2002), p. 1258

[25] O. Stier; M. Grundmann; D. Bimberg Phys. Rev. B, 59 (1999) no. 8, p. 5688

[26] F. Bras; P. Boucaud; S. Sauvage; G. Fishman; J.-M. Gérard Appl. Phys. Lett., 80 (2002), p. 4620

[27] S. Sauvage; P. Boucaud; R.P.S.M. Lobo; F. Bras; G. Fishman; R. Prazeres; F. Glotin; J.-M. Ortéga; J.-M. Gérard Phys. Rev. Lett., 88 (2002), p. 177402

[28] J. Kim; L.-W. Wang; A. Zunger Phys. Rev. B, 57 (1998), p. R9408

[29] S. Sauvage; P. Boucaud; T. Brunhes; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard Phys. Status Solidi B, 224 (2001), p. 579

[30] H. Drexler; D. Leonard; W. Hansen; J.P. Kotthaus; P.M. Petroff Phys. Rev. Lett., 73 (1994), p. 2252

[31] S. Sauvage; P. Boucaud; J.-M. Gérard; V. Thierry-Mieg J. Appl. Phys., 84 (1998), p. 4356

[32] S. Sauvage; P. Boucaud; T. Brunhes; A. Lemaı̂tre; J.M. Gérard Phys. Rev. B, 60 (1999), p. 15589

[33] S. Sauvage; P. Boucaud; T. Brunhes; V. Immer; E. Finkman; J.-M. Gérard Appl. Phys. Lett., 78 (2001), p. 2327

[34] S. Sauvage; P. Boucaud; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard; V. Thierry-Mieg Phys. Rev. B, 59 (1999), p. 9830

[35] T. Brunhes; P. Boucaud; S. Sauvage; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 835

[36] T. Brunhes; P. Boucaud; S. Sauvage; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega Phys. Rev. B, 61 (2000), p. 5562

[37] S. Sauvage; T. Brunhes; P. Boucaud; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega Phys. Status Solidi B, 224 (2001), p. 595

[38] S. Sauvage; P. Boucaud; T. Brunhes; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega; J.-M. Gérard Phys. Rev. B, 63 (2001), p. 113312

[39] D. Leonard; M. Krishnamurthy; C.M. Reaves; S.P. Denbaars; P.M. Petroff Appl. Phys. Lett., 63 (1993), p. 3203

[40] M. Grundmann; N.N. Ledentsov; R. Heitz; L. Eckey; J. Christen; J. Böhrer; D. Bimberg; S.S. Ruvimov; P. Werner; U. Richter; J. Heydenreich; V.M. Ustinov; A.Yu. Egorov; A.E. Zhukov; P.S. Kopev; Zh.I. Alferov Phys. Status Solidi, 188 (1995), p. 249

[41] Y. Hasegawa; H. Kiyama; Q.K. Xue; T. Sakurai Appl. Phys. Lett., 72 (1998), p. 2265

[42] B. Legrand; B. Grandidier; J.P. Nys; D. Stiévenard; J.M. Gérard; V. Thierry-Mieg Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 96

[43] P.N. Keating Phys. Rev., 145 (1966), p. 637

[44] G. Fishman Energie et fonction d'onde des semi-conducteurs, Les editions de physique, 1988

[45] G. Bastard Wave Mechanics Applied to Semiconductor Heterostructures, Les editions de physique, 1992

[46] G.L.G. Sleijpen; H.A. van der Vorst SIAM J. Matrix Anal. Appl., 17 (1996), p. 401

[47] H.C. Liu; M. Buchanan; Z.R. Wasilewski Appl. Phys. Lett., 72 (1998), p. 1682

[48] S. Sauvage, Propriétés infrarouges des boı̂tes quantiques semi-conductrices InAs/GaAs, Thèse de l'université Paris-XI, Mars 1999

[49] H. Benisty; C.M. Sottomayor-Torrès; C. Weisbuch Phys. Rev. B, 44 (1991), p. 10945

[50] T. Inoshita; H. Sakaki Phys. Rev. B, 46 (1992), p. 7260

[51] U. Bockelmann; T. Egeler Phys. Rev. B, 46 (1992), p. 15574

[52] T. Inoshita; H. Sakaki Phys. Rev. B, 56 (1997), p. R4355

[53] O. Verzelen; R. Ferreira; G. Bastard Phys. Rev. B, 62 (2000), p. R4809

[54] S. Hameau; J.N. Isaia; Y. Guldner; E. Deleporte; O. Verzelen; R. Ferreira; G. Bastard; J. Zeman; J.M. Gérard Phys. Rev. Lett., 83 (1999), p. 4152

[55] D. Von der Linde; J. Khul; H. Klingerberg Phys. Rev. Lett., 44 (1980), p. 1505

[56] X.-Q. Li; Y. Arakawa Phys. Rev. B, 57 (1998) no. 12, p. 285

[57] X.-Q. Li; H. Nakayama; Y. Arakawa Phys. Rev. B, 59 (1999), p. 5069

[58] Ph. Lelong; S.H. Lin Appl. Phys. Lett., 81 (2002), p. 1002

[59] S. Sauvage; P. Boucaud; F. Glotin; R. Prazeres; J.-M. Ortega; A. Lemaı̂tre; J.-M. Gérard; V. Thierry-Mieg Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 3818

[60] Properties of Aluminium Gallium Arsenide (S. Hadachi, ed.), INSPEC, London, 1993

[61] O. Verzelen; R. Ferreira; G. Bastard Phys. Rev. B, 64 (2001), p. 075315

[62] O. Verzelen; R. Ferreira; G. Bastard Phys. Rev. Lett., 88 (2002), p. 146803

[63] O. Verzelen; G. Bastard; R. Ferreira Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 081308(R)

[64] F. Vallée; F. Bogani Phys. Rev. B, 43 (1991), p. 12049

[65] M. Ershov; H.C. Liu J. Appl. Phys., 86 (1999), p. 6580

[66] W.A. Beck Appl. Phys. Lett., 63 (1993), p. 3589

[67] B.F. Levine Appl. Phys. Lett., 74 (1999), p. 892

[68] L. Thibaudeau; P. Bois; J.Y. Duboz J. Appl. Phys., 79 (1996), p. 446

[69] C. Weisbuch; B. Vinter Quantum Semiconductor Structures, Academic Press, 1991

[70] V. Ryzhii; I. Khmyrova; V. Mitin; M. Stroscio; M. Willander Appl. Phys. Lett., 78 (2001), p. 3523

[71] B. Kochman; A.D. Stiff-Roberts; S. Chakrabarti; J.D. Phillips; S. Krisna; J. Singh; P. Bhattacharya IEEE J. Quantum Electron., 39 (2003), p. 459

[72] J.-Y. Duboz; H.C. Liu; Z.R. Wasilewski; M. Byloss; R. Dudek J. Appl. Phys., 93 (2003), p. 1320

[73] A.D. Stiff; S. Krishna; P. Bhattacharya; S. Kennerly Appl. Phys. Lett., 79 (2001), p. 421

[74] V. Ryzhii J. Appl. Phys., 89 (2001), p. 5117

[75] L. Chu; A. Zrenner; G. Böhm; G. Abstreiter Appl. Phys. Lett., 76 (2000), p. 1944

[76] S.-W. Lee; K. Hirakawa; Y. Shimada Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 1428

[77] L. Chu; A. Zrenner; M. Bichler; G. Abstreiter Appl. Phys. Lett., 79 (2001), p. 2249

[78] K.W. Berryman; S.A. Lyon; M. Segev Appl. Phys. Lett., 70 (1997), p. 1861

[79] J. Phillips; K. Kamath; P. Bhattacharrya Appl. Phys. Lett., 72 (1998), p. 2020

[80] S. Maimon; E. Finkman; G. Bahir; S.E. Schacham; J.M. Garcia; P.M. Petroff Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 2003

[81] S. Kim; H. Mohseni; M. Erdtmann; E. Michel; C. Jelen; M. Razeghi Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 963

[82] D. Pan; E. Towe; S. Kennerly Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 1937

[83] D. Pan; E. Towe; S. Kennerly Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 2719

[84] H.C. Liu; M. Gao; J. McCaffrey; Z.R. Wasilewski; S. Fafard Appl. Phys. Lett., 78 (2001), p. 79

[85] A.D. Stiff; S. Krishna; P. Bhattacharya; S.W. Kennerly IEEE J. Quantum Electron., 37 (2001), p. 1412

[86] A.D. Stiff; S. Krishna; P. Bhattacharya; S. Kennerly Appl. Phys. Lett., 79 (2001), p. 421

[87] Z. Ye; J.C. Campbell; Z. Chen; E. Kim; A. Madhukar IEEE J. Quantum Electron., 38 (2002), p. 1234

[88] Z. Ye; J.C. Campbell; Z. Chen; E. Kim; A. Madhukar J. Appl. Phys., 92 (2002), p. 4141

[89] Z. Chen; E. Kim; A. Madhukar Appl. Phys. Lett., 80 (2002), p. 2490

[90] E.T. Kim; Z. Chen; A. Madhukar Appl. Phys. Lett., 79 (2001), p. 3341

[91] L.P. Rokhinson; D.C. Tsui; J.L. Benton; Y.-H. Xie Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 2413

[92] N. Rappaport; E. Finkman; T. Brunhes; P. Boucaud; S. Sauvage; N. Yam; V. Le Thanh; D. Bouchier Appl. Phys. Lett., 77 (2000), p. 3224

Cité par Sources :

Commentaires - Politique