激發(fā)功率對(duì)GaInNAs單量子阱材料的光致發(fā)光的影響

莫敏·賽來(lái)，奧布力喀斯木·祖農(nóng)，普拉提·艾合買(mǎi)提

（新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊，830046）

0 引言

稀氮化合物一般是指含有少量氮成分的化合物半導(dǎo)體材料，如GaAsN，GaInAsN等。由于制備工藝和晶體質(zhì)量等因素的限制，通常這種材料的氮成分少于5%。稀氮化合物的能帶彎曲系數(shù)相比于常規(guī)多元化合物有較大的區(qū)別，對(duì)于GaAsN材料而言其能帶彎曲系數(shù)b在14-26 eV 范圍內(nèi)，并且依賴(lài)于化合物中的氮組分。這種獨(dú)特的特性決定了Ga(In)AsN與其他化合物截然不同的能帶結(jié)構(gòu)。

從1996年日立公司首先提出GaInAsN器件的研究發(fā)展至今，該材料在激光二極管和光電池方面的運(yùn)用有著很大的應(yīng)用潛力.有關(guān)于GaAs基GaInAsN器件研究的文章不斷發(fā)表[1，2]，GaInAsN材料也被應(yīng)用到異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)。用GaInAsN做HBTs的基極能夠有效地減少器件開(kāi)啟電壓，并能在較低工作電壓環(huán)境下正常運(yùn)行，這個(gè)特性尤其是在無(wú)線通訊的電功率放大器應(yīng)用上非常有用。2012 年美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）公布了當(dāng)時(shí)世界上轉(zhuǎn)換效率最高的三結(jié)太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率在418suns日照強(qiáng)度下為43.5%[3]（創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄）及已經(jīng)航天領(lǐng)域上服用，并且預(yù)測(cè)未來(lái)電池效率可以提高到50%，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池需要占整個(gè)電池質(zhì)量70%-80%的Ge襯底，這種多結(jié)太陽(yáng)能電池不僅效率高，而且也減輕了太陽(yáng)能電池的質(zhì)量，這種特性很適合用在星際器件的電源配件上。目前光纖通訊使用的主要激光光源是InP 紅外激光器，昂貴的材料也是限制激光通訊發(fā)展的一個(gè)重要因素，使用稀氮化合物半導(dǎo)體材料制成的激光器能有效降低生產(chǎn)成本。

周所眾知，材料的質(zhì)量能直接影響到器件的性能，制備優(yōu)質(zhì)的材料是研發(fā)高性能器件的前提條件。在大多數(shù)情況下，材料光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量是III-V半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)研究的主要方法之一。本實(shí)驗(yàn)使用不同激發(fā)功率激光測(cè)試光致發(fā)光（PL）光譜參數(shù)。PL光譜是一種破壞性的測(cè)試方法，晶體材料的PL光譜包含豐富的信息，通過(guò)PL光譜可以判斷材料的帶隙與晶體質(zhì)量【4】，同時(shí)也可以預(yù)測(cè)光電器件相關(guān)的一些重要性能。所以研究晶體材料的PL光譜在晶體材料領(lǐng)域中具有不可替代的研究意義。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 GaInNAs單量子阱樣品結(jié)構(gòu)圖

為了獲得異質(zhì)結(jié)量子阱材料發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光功率密度的規(guī)律，選取了未摻雜的外延薄膜量子阱材料作為研究對(duì)象，樣品為通過(guò)分子束外延（MBE）方法在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)的單量子阱結(jié)構(gòu)，阱寬為7nm，樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。激發(fā)光源采用波長(zhǎng)為532 nm的半導(dǎo)體激光器。使用一套光學(xué)組件系統(tǒng)將激光束聚焦到樣品上。對(duì)于低溫測(cè)量，需要將樣品置于低溫恒溫器中并且用液氦壓縮機(jī)將溫度降至10K，為了得到更強(qiáng)的信號(hào)，需要從盡可能大的立體角收集激發(fā)出的光信號(hào)。使用單色儀將收集到的光分成光譜分量。通常，使用冷卻的砷化鎵探測(cè)器來(lái)測(cè)量激發(fā)光譜的強(qiáng)度。用鎖相放大器放大信號(hào)，使用計(jì)算機(jī)控制單色儀的光柵來(lái)掃描選定的波長(zhǎng)區(qū)域。該計(jì)算機(jī)還用于記錄測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，即發(fā)光的光譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行不同激發(fā)功率密度的低溫（10K）光致發(fā)光譜(PL) 測(cè)試可得到低溫下樣品PL隨激發(fā)功率密度化曲線。單量子阱隨著激發(fā)功率密度變化的光致發(fā)光譜如圖2所示。為了更準(zhǔn)確地得到發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)功率密度的變化過(guò)程,我們測(cè)試了在多個(gè)激發(fā)功率密度條件下的PL強(qiáng)度,并對(duì)圖中所有的光譜進(jìn)行了歸一化處理。圖2顯示了在不同激發(fā)功率密度下的PL光譜。可以發(fā)現(xiàn)激子躍遷很明顯。這些激子躍遷與K點(diǎn)處的直接帶隙發(fā)光有關(guān)，該點(diǎn)包括導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的光學(xué)躍遷。在全部過(guò)程中，峰的位置保持不變，從圖3很容易發(fā)現(xiàn)積分發(fā)光強(qiáng)度與激發(fā)功率密度保持線性關(guān)系。

圖2 不同激發(fā)功率密度的

圖3 發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)功率密光致發(fā)光譜度變化曲線

在PL測(cè)試過(guò)程中，樣品中價(jià)帶上的電子要激發(fā)到導(dǎo)帶上，必須選擇能量大于材料中電子-空穴對(duì)產(chǎn)生所需要的光子能量，因此激發(fā)光的能量必須大于材料的帶隙。電子-空穴對(duì)可能發(fā)生自發(fā)復(fù)合，導(dǎo)致材料各向同性的發(fā)光。能級(jí)之間的轉(zhuǎn)換決定了發(fā)光的光譜。因此，影響半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的因素也影響光致發(fā)光光譜。III-V化合物半導(dǎo)體的在低溫下由靠近近帶邊緣光致發(fā)光直接反應(yīng)材料的質(zhì)量。光致發(fā)光強(qiáng)度隨著激發(fā)功率變化，可以表明潛在的復(fù)合過(guò)程。

研究PL強(qiáng)度對(duì)功率密度對(duì)光致發(fā)光的影響，要考慮光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的自由激子復(fù)合，施主-受主束縛激子輻射復(fù)合，施主-受主對(duì)復(fù)合，自由電子與中性受主復(fù)合，自由空穴與中性施主輻射復(fù)合，自由電子（空穴）與電離受主（電離施主）的躍遷等一些過(guò)程。熱激發(fā)和光激發(fā)是半導(dǎo)體材料中的主要激發(fā)方式，但低溫光致發(fā)光過(guò)程中的熱激發(fā)過(guò)程可以不計(jì)。很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)光強(qiáng)度I與Lk成比比例[5]，對(duì)自由到束縛發(fā)射和施主受主復(fù)合k<1,對(duì)于自由和束縛激子發(fā)射1

方程（1）中的n表示電子的濃度，L是激發(fā)強(qiáng)度，ND0與NA0分別是中性施主與受主濃度，ND是總施主濃度，系數(shù)a、b、c,、d分別表示相應(yīng)過(guò)程的概率，方程各項(xiàng)分別表示：載流子產(chǎn)生、電子與空穴的輻射復(fù)合、電子在電離施主的俘獲、導(dǎo)帶上的電子與中性受主的復(fù)合四個(gè)過(guò)程。隨著激發(fā)功率的增加自由激子也會(huì)線性增加，但被光激發(fā)載流子中性化的施主受主引起的束縛態(tài)增加的比它更快些。束縛態(tài)的增加自然就增加了束縛激子的復(fù)合比例[7]，根據(jù)I-Lk法則，此時(shí)當(dāng)k值變小，會(huì)出現(xiàn)非線性；同時(shí)束縛態(tài)的變化能把光譜范圍變寬，使積分強(qiáng)度繼續(xù)按直線增加。

3 結(jié)論

用I-Lk法則研究了GaInNAs單量子阱結(jié)構(gòu)PL譜隨激發(fā)光功率的變化。結(jié)果表明：隨著激發(fā)功率密度的改變積分強(qiáng)度與光譜峰值出現(xiàn)不太一樣的變化趨勢(shì)，這不一樣的趨勢(shì)主要由自由激子與束縛激子濃度增加的速度差異帶來(lái)的。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在大的激發(fā)光功率條件下材料的PL信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)飽和并且在光譜曲線中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的肩峰，說(shuō)明稀氮材料表現(xiàn)出良好的性能，因此，該材料在制備先進(jìn)電子器件領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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