非對(duì)稱ZnO/ZnMgO雙量子阱內(nèi)量子效率的提高

尚 開，張振中，李炳輝，徐海陽，張立功，趙東旭，劉 雷，王雙鵬，申德振

(1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春 130024)

1 引 言

紫外殺菌、光催化、表面修飾、眼科手術(shù)等諸多領(lǐng)域的迫切需要，大大促動(dòng)了時(shí)下對(duì)紫外光源，尤其是便攜式小型化紫外光源的研發(fā)進(jìn)程[1-3]。憑借激子結(jié)合能(60 meV)較大等自身優(yōu)勢(shì)而被學(xué)界人士寄予厚望的氧化鋅材料，業(yè)已在半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)等紫外發(fā)光領(lǐng)域取得了令人矚目的結(jié)果并展現(xiàn)出了愈加明朗的商業(yè)化前景。毋庸置疑，上述成績的取得是源自氧化鋅材料自身的優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)科學(xué)設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合[4-15]。提高內(nèi)量子效率是提高輸出功率的重要途徑，是低維半導(dǎo)體材料光發(fā)射器件的重要技術(shù)指標(biāo)[11]。氧化鋅基量子阱的研究隸屬和氧化鋅“摻雜工程”并行的“能帶工程”。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高氧化鋅基量子阱內(nèi)量子效率，是一條常規(guī)的優(yōu)選途徑[4-15]。

然而，ZnO/ZnMgO量子阱內(nèi)量子效率的相關(guān)研究還未見報(bào)道。此前，我們做過大量 ZnO/ZnMgO多量子阱和ZnCdSe/ZnSe非對(duì)稱雙量子阱的研究工作[9-10，14-15]。本文利用等離子體輔助分子束外延技術(shù)在c-plane面藍(lán)寶石襯底上制備了ZnO/Zn0.85Mg0.15對(duì)稱多量子阱和非對(duì) 稱 雙量子阱，證明以 ZnO/ZnMgO 非對(duì)稱雙量子阱(ADQW)為代表的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以提高量子阱器件的內(nèi)量子效率。

2 實(shí) 驗(yàn)

我們利用等離子體輔助分子束外延(P-MBE)的方法，在 c-Al2O3上制備了 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 對(duì)稱多量子阱和非對(duì)稱雙量子阱(Asymmetric Double Quantum Wells，ADQW)。本文工作所采用的所有量子阱樣品都是利用英國VG公司的V80H分子束處延改造而成的P-MBE設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長的。生長量子阱時(shí)，用純度分別為6N和5N的高純金屬Zn與金屬M(fèi)g，以及純度為5N的氧氣作為原料。有關(guān)生長的更多細(xì)節(jié)可參考我們此前的相關(guān)報(bào)道[14-15]。

對(duì)稱多量子阱樣品由生長在藍(lán)寶石襯底上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 過渡層(Buffer Layer)、10 個(gè)周期的6 nm-Zn0.85Mg0.15O/6 nm-ZnO 單元、還有位于量子阱層上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 蓋層(Cap Layer)構(gòu)成。利用 P-MBE 制備 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對(duì)稱雙量子阱時(shí)，首先生長50 nm的Zn0.85Mg0.15O緩沖層，再生長厚度分別為6/3/3 nm的5周期的寬阱/壘層/窄阱，阻斷層(Wide Barrier)厚度為20 nm，樣品最上面也是 50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 蓋層。圖1為非對(duì)稱雙量子阱一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其特點(diǎn)是每個(gè)周期內(nèi)都具有寬阱和窄阱，中間是隧穿勢(shì)壘，每2個(gè)周期之間用較厚的阻斷層隔開。氧鋅鎂層的鎂含量是利用能量色散X射線光譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDXS)確定的。

圖1 ADQW一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of ADQW

3 結(jié)果與討論

圖2是室溫下(295 K)ZnO/ZnMgO量子阱在He-Cd激光器325 nm激光泵浦下的光致發(fā)光光譜。從圖中可以得知，與氧化鋅體材料的光致發(fā)光峰能量(3.290 eV)比較，ZnO/ZnMgO ADQW 樣品與6 nm-MQWs樣品的光致發(fā)光峰能量(3.335 eV)和3 nm-MQWs樣品的光致發(fā)光峰能量(3.378 eV)分別發(fā)生了45 meV和 88 meV的由于量子約束效應(yīng)而產(chǎn)生的藍(lán)移[15]。ADQW樣品只監(jiān)測(cè)到了1個(gè)來自6 nm寬阱的紫外發(fā)光峰。在同一泵浦功率密度下，ADQW樣品這一位于373 nm紫外發(fā)射的積分光強(qiáng)大約比6 nm-MQWs樣品高一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖1中的室溫PL譜所示的3.335 eV抑或 3.378 eV處的主要發(fā)光峰，都來源于激子過程[16]，說明我們制備的薄膜具有較高的晶體質(zhì)量。

圖2 室溫下ZnO/ZnMgO量子阱的光致發(fā)光光譜Fig.2 PL spectra of the ZnO/ZnMgO 6 nm-MQWs，3 nm-MQWs and ADQW at room temperature.

如圖2展示的那樣，ADQW樣品的發(fā)光峰和6 nm-MQWs樣品的一致，而不同于3 nm-MQW樣品的發(fā)光峰，說明在非對(duì)稱雙量子阱的光致發(fā)光過程中，大多數(shù)窄阱中的非平衡載流子沒有在窄阱中復(fù)合，而是隧穿到了寬阱中再發(fā)生輻射復(fù)合。除此之外，ADQW樣品位于373 nm的紫外發(fā)射遠(yuǎn)強(qiáng)于6 nm-MQWs樣品，也可以有力的證實(shí)激子在寬阱中的積累[9-10，12]。

與圖2相對(duì)應(yīng)，圖3為室溫下ZnO/ZnMgO ADQW光致發(fā)光過程的能帶示意圖。圖中左側(cè)為寬阱(Wide Well)，右側(cè)為窄阱(Narrow Well)，兩者間由薄壘層(Thin Barrier)隔開。E1we和E1ne分別對(duì)應(yīng)n=1時(shí)寬阱和窄阱電子的子能級(jí)。因?yàn)橼鍖挷煌瑢?dǎo)致量子限制作用的差別而使寬阱和窄阱中電子的子能級(jí)并不一致。正是由于子能級(jí)的不同，窄阱中處于激發(fā)態(tài)的電子和空穴才產(chǎn)生了向?qū)捼逅泶┑膭?dòng)力。因?yàn)榧ぷ邮`能較大，所以該非對(duì)稱阱中的載流子隧穿以激子方式進(jìn)行[9-10，12]。

圖3 室溫下ZnO/ZnMgO ADQW光致發(fā)光能帶示意圖Fig.3 Band structure of the ADQW

一些相關(guān)報(bào)道[9-10，12]指出，如果寬阱和窄阱中電子的子能級(jí)的能量差等于或大于縱光學(xué)聲子能量(ELO，ZnO的ELO約為72 meV)，就可以發(fā)生縱光學(xué)聲子輔助的快速隧穿過程。并且，這種聲子輔助隧穿過程所需時(shí)間小于激子在窄阱中的熒光壽命。換言之，窄阱中激子隧穿到寬阱中的概率大于在窄阱中復(fù)合的概率。正因?yàn)槿绱?，在非?duì)稱雙量子阱的光致發(fā)光過程中，多數(shù)窄阱中激子在復(fù)合之前就隧穿到了寬阱中再復(fù)合發(fā)光。

內(nèi)量子效率(IQE)的定義是發(fā)射的光子數(shù)空穴對(duì)與被吸收的光子數(shù)之比。相對(duì)應(yīng)的外量子效率(EQE)，則是發(fā)射的光子數(shù)與所有入射的光子數(shù)之比。由于載流子注入效率和內(nèi)吸收等均難以確定，所以直接測(cè)定內(nèi)量子效率是非常困難的[11]。通常假定處于30 K以下低溫光泵測(cè)試的內(nèi)量子效率為100%[1]，即忽略低溫下所有的非輻射復(fù)合。這樣，內(nèi)量子效率就可以用室溫和低溫(30 K以下)光致發(fā)光積分光強(qiáng)的比值來測(cè)定。比方說IQE為I295/I12，其中I295是氧化鋅基量子阱發(fā)光在295 K下的積分光強(qiáng)，I12是在12 K下的積分光強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可知6 nm-MQWs樣品的內(nèi)量子效率大約為8.5%，而從圖5中可知ADQW樣品的內(nèi)量子效率大約為～13.3%，大概是對(duì)稱量子阱的1.56 倍。

圖4 溫度為12 K和295 K時(shí)，ZnO/ZnMgO MQWs樣品的PL譜。Fig.4 The 12 K and 295 K PL spectra of the MQWs sample

圖5 溫度為12 K和295 K時(shí)，ZnO/ZnMgO ADQW樣品的PL譜Fig.5 The 12 K and 295 K PL spectra of the ADQW

分析圖5可知，在相同的泵浦功率密度下，ADQW樣品的輸出功率大約比6 nm-MQWs樣品高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而ADQW樣品的內(nèi)量子效率僅是6 nm-MQWs樣品的1.56倍。據(jù)此可以判斷，ADQW的載流子注入效率也必然存在顯著提升。這一提升得益于激子隧穿產(chǎn)生的注入增強(qiáng)效應(yīng)。

圖6 非對(duì)稱雙量子阱和6 nm對(duì)稱阱的時(shí)間分辨光譜Fig.6 Time-resolved PL decay curves monitored at the emission peaks of ADQW(blue dotted lines)and 6 nm-MQWs(red dotted lines)

為分析和確認(rèn)非對(duì)稱阱樣品中激子隧穿的微觀動(dòng)力學(xué)過程，我們進(jìn)行了樣品的時(shí)間分辨光譜(Time-resolved-PL)測(cè)試。所用儀器是FL920-熒光壽命分光計(jì)(FL920-fluorescence Lifetime Spectrometer)。系統(tǒng)的分辨率為 12 ps，使用nF900脈沖激光器作為泵浦源?？紤]到隧穿過程[12，18-19]，非對(duì)稱雙量子阱中寬阱(6 nm)發(fā)光的熒光壽命，應(yīng)該比6 nm對(duì)稱量子阱阱區(qū)發(fā)光的熒光壽命有所延長。

圖6是6 nm對(duì)稱量子阱和非對(duì)稱雙量子阱中寬阱(6 nm)的時(shí)間分辨光譜。分析此圖可知，非對(duì)稱雙量子阱中寬阱(6 nm)的熒光壽命為1.21 ns，比 6 nm 對(duì)稱量子阱的熒光壽命(0.89 ns)略長。據(jù)此我們確定，窄阱和寬阱之間存在激子隧穿。

4 結(jié) 論

相比于對(duì)稱量子阱，ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對(duì)稱雙量子阱光致發(fā)光的內(nèi)量子效率有顯著提高。時(shí)間分辨光譜和光致發(fā)光譜測(cè)試結(jié)果的一致性表明，從窄阱到寬阱的激子隧穿過程是非對(duì)稱阱內(nèi)量子效率提高的主要原因。量子阱在半導(dǎo)體發(fā)光、激光器件研究方面具有廣泛應(yīng)用，非對(duì)稱雙量子阱的激子隧穿及其所帶來的降低閾值、提高效率等優(yōu)勢(shì)，無疑會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)起到積極的影響。

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