N型摻雜ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱中空間間接帶電激子躍遷發(fā)光的直接證據(jù)

屈尚達(dá)，冀子武

(山東大學(xué)微電子學(xué)院，濟(jì)南 250100)

0 引 言

Lampert 早在1958年就預(yù)言了半導(dǎo)體中帶電的激子復(fù)合體(即帶電激子trion，用符號X-或X+表示)的存在[1]。一個(gè)負(fù)(正)的帶電激子X-(X+)是由兩個(gè)電子(空穴)和一個(gè)空穴(電子)組成的，X-的構(gòu)成類似于一個(gè)氫離子H-模型。然而，有關(guān)帶電激子的實(shí)驗(yàn)觀察卻直到20世紀(jì)90年代初期才得以成功實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，帶電激子更容易存在于半導(dǎo)體量子阱(QWs)中，這是因?yàn)榕c塊材料相比，帶電激子在量子阱結(jié)構(gòu)中有一個(gè)更大的結(jié)合能(binding energy)[2]。由于形成X-的必要條件是結(jié)構(gòu)內(nèi)部必須有多余的自由電子，所以自由電子的濃度變化會(huì)直接影響到所形成的X-的數(shù)量，從而導(dǎo)致X-發(fā)光(PL)強(qiáng)度的變化。帶電激子這個(gè)概念已經(jīng)引起了科研人員濃厚的興趣，并且成為理解低維半導(dǎo)體中各種光學(xué)過程的重要課題[3-4]。

近年來，ZnSe/BeTe Ⅱ型QWs結(jié)構(gòu)已經(jīng)吸引了一些研究者極大的關(guān)注[5-9]。與Ⅲ-V族相比，這個(gè)Ⅱ-Ⅵ族ZnSe/BeTe結(jié)構(gòu)有更強(qiáng)的共價(jià)結(jié)合，且具有Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)和較大的導(dǎo)帶(或價(jià)帶)邊能量落差(band offset)，及界面處很好的晶格匹配等一系列優(yōu)點(diǎn)[10-11]。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得ZnSe層中受激產(chǎn)生的電子和空穴發(fā)生空間分離，電子被限制在原來的ZnSe層內(nèi)，而部分空穴則逃逸到相鄰的能量更低的BeTe層中。這樣，ZnSe層中的電子波函數(shù)和BeTe層中的空穴波函數(shù)將會(huì)彼此滲透，并通過界面發(fā)生空間間接復(fù)合發(fā)光[10-15]。由于空間間接躍遷有一個(gè)較長的復(fù)合發(fā)光壽命，所以ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)非常適合觀察二維激子的凝聚現(xiàn)象[13,16]。然而，有關(guān)該結(jié)構(gòu)空間間接PL的起源和物理機(jī)制，迄今為止卻沒有被詳細(xì)報(bào)道。

為了研究ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)中空間間接帶電激子躍遷的可能性并探討其形成機(jī)制，本文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)測量了空間間接PL譜對外加電場的依賴性。結(jié)果顯示該量子阱結(jié)構(gòu)的空間間接躍遷具有負(fù)的帶電激子的特征。

1 實(shí) 驗(yàn)

本研究所用的N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe樣品是在日本國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)采用分子束外延(MBE)的方法，在GaAs襯底的(001)面上生長而成的[10-11]。其有源區(qū)為ZnSe(28 ML)/BeTe (10 ML)/ZnSe(28 ML)對稱結(jié)構(gòu)，并被夾在兩個(gè)200 nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層之間。這里，1 ML(單分子層)約為0.28 nm。兩個(gè)厚度均為3 nm的摻雜層(ZnCl2)被對稱地生長在兩個(gè)隔離層Zn0.77Mg0.15Be0.08Se中，并且距離有源區(qū)均為10 nm。此外，為了得到質(zhì)量較高的異質(zhì)結(jié)界面并提高空間間接發(fā)光效率，有源區(qū)ZnSe/BeTe/ZnSe中的兩個(gè)異質(zhì)結(jié)界面被相應(yīng)地選擇形成一種Zn-Te 或Te-Zn化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)[10-11]。最后，在樣品的表面覆蓋了厚度約為0.7 nm的Zn保護(hù)層，以確保樣品結(jié)構(gòu)質(zhì)量的穩(wěn)定性。對于該樣品的電極結(jié)構(gòu)，首先半透明的NiCr薄膜作為柵電極被真空蒸鍍在樣品的表面，然后源極和漏極接點(diǎn)被連接到經(jīng)臺(tái)面腐蝕(mesa etching)后的QW層。圖1顯示了該樣品結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)示意圖以及電極結(jié)構(gòu)照片，圖2則顯示了ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱的能帶結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)。

對于空間間接PL譜的測量，本研究使用了脈沖寬度為100 fs，重復(fù)頻率為76 MHz的倍頻鎖模Ti藍(lán)寶石激光器作為激發(fā)光源(激發(fā)波長為370 nm)。本實(shí)驗(yàn)所施加的最大電壓范圍為+7 V至-7 V。上述光譜測量是在低溫(5 K)下進(jìn)行的，信號檢測器為液態(tài)氮冷卻的Triax1024型CCD (1 024×1 024陣列)。

2 結(jié)果與討論

圖1 (a)具有電極的N摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)示意圖(虛線表示ZnCl2摻雜層)；(b)樣品的電極結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.1 (a) Schematic diagram of the N-doped ZnSe/BeTe/ZnSe type-Ⅱ quantum wells structure with electrode(dotted lines represent ZnCl2 doped layer); (b) photo of the electrode structure

圖2 (a)ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；(b)界面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 (a) Band structure of the ZnSe/BeTe/ZnSe type-Ⅱ quantum wells; (b) schematic diagram of the interface structures

圖3 (a)樣品PL譜對柵極電壓的依賴性；(b)發(fā)光峰的線性偏振度對柵極電壓的依賴性Fig.3 (a) Dependence of the PL spectra on various gate voltages; (b) dependence of linear polarization degree of the PL spectra on various gate voltages

圖4 樣品空間間接積分PL強(qiáng)度對柵極電壓的依賴性Fig.4 Spatially indirect integrated PL intensity as a function of gate voltage

通過圖3(a)還發(fā)現(xiàn)，在沒有外加電壓時(shí)該摻雜樣品的PL譜呈現(xiàn)反玻爾茲曼(inverse-Boltzmann)分布[12,17]，并且其線型不依賴于外加電壓的變化。這不同于激子的高斯分布特征，而是類似于帶電激子的線型特征。為了進(jìn)一步探討該空間間接PL的起源，圖4顯示了其積分PL強(qiáng)度的柵極電壓依賴性(電壓范圍為7～-7 V)。由圖4可見，隨著外加電壓的降低(7～0 V)，PL強(qiáng)度幾乎不變。然而，當(dāng)外加電壓繼續(xù)降低時(shí)(0～-7 V)，PL強(qiáng)度卻顯著減小。這些特征提供了帶電激子發(fā)光的直接證據(jù)[12,18]。這是因?yàn)榧ぷ邮且环N玻色子，是由一個(gè)電子和一個(gè)空穴組成的。它的電中性特征，使得激子的復(fù)合躍遷通常與外加電場無關(guān)。然而，X-是一種費(fèi)密子，它是由一個(gè)激子俘獲另外一個(gè)自由電子形成的，所以自由電子濃度的大小會(huì)直接影響所形成X-的多寡[18]。

因此，對于圖4所示的空間間接積分PL強(qiáng)度的柵極電壓依賴性，可解釋如下：在正柵極電壓范圍內(nèi)(7～0 V)，PL強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常數(shù)，這是因?yàn)閾诫s層屏蔽了這個(gè)外加電場[12,19-21]。然而，隨著負(fù)外加電壓的增加(-1～-7 V)，其電場覆蓋區(qū)域的電子將會(huì)受到排斥，使得電子濃度降低。因此，X-相關(guān)的PL強(qiáng)度顯著降低。這有力地證明了N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)中的空間間接PL主要是來自負(fù)的帶電激子的躍遷。另外，也注意到，隨著負(fù)電壓的增加，PL強(qiáng)度從約-5 V處開始顯示了一個(gè)飽和的趨勢(見圖4)。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因目前尚不清楚，但可能與以下因素有關(guān)：(1)由于工藝條件限制導(dǎo)致電極質(zhì)量的不完美而致使電極附近的某些激光激發(fā)區(qū)域沒有被施加上外電場，從而使得該區(qū)域的電子不會(huì)因受到排斥而導(dǎo)致其濃度降低；(2)距離電極較遠(yuǎn)的一些激光激發(fā)區(qū)域不會(huì)受到外加電場的作用，故該區(qū)域的電子濃度也不會(huì)隨著負(fù)外加電壓的增加而降低；(3)其他因素。

為了進(jìn)一步探討上述帶電激子的存在形態(tài)，本文嘗試提出兩個(gè)可能的模型：(1)帶電激子中的兩個(gè)電子占據(jù)同一個(gè)ZnSe層(見圖5(a))；(2)帶電激子中的兩個(gè)電子分別占據(jù)不同的ZnSe層(見圖5(b))。現(xiàn)根據(jù)圖3和圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來探討圖5所示的兩個(gè)模型中哪一個(gè)是本樣品結(jié)構(gòu)中最可能的帶電激子存在形態(tài)。對于圖5(a)所示的帶電激子形態(tài)而言，隨著負(fù)柵極電壓的逐漸增加，上層ZnSe(即，距離柵電極較近的ZnSe層)中的電子應(yīng)該首先受到排斥。這將會(huì)導(dǎo)致上層ZnSe中帶電激子輻射強(qiáng)度降低，并使得下層ZnSe(距離柵電極較遠(yuǎn)的ZnSe層)中帶電激子的輻射占據(jù)支配地位，從而導(dǎo)致該樣品空間間接PL譜的線性偏振度發(fā)生明顯變化。顯然，這個(gè)推論與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，因此圖5(a)所示的存在形態(tài)應(yīng)該被排除。另一方面，對于圖5(b)所示的帶電激子形態(tài)，隨著負(fù)柵極電壓的逐漸增加，電子濃度的減小應(yīng)該只會(huì)降低帶電激子的輻射強(qiáng)度而不會(huì)影響其線性偏振度。這是因?yàn)閳D5(b)所示帶電激子中的兩個(gè)電子分別處在空穴所在層BeTe兩側(cè)的ZnSe層中，是一種對稱結(jié)構(gòu)，因此任何一側(cè)電子濃度的降低應(yīng)該只會(huì)減少帶電激子形成的數(shù)量而不會(huì)影響其復(fù)合躍遷方式。所以，圖5(b)所示的帶電激子形態(tài)似乎是本研究所探討的最可能的候選模型。這也與日本的Tsuchiya采用擴(kuò)散蒙特卡羅(diffusion Monte Carlo)方法研究GaAs/AlAs Ⅱ型超晶格中激子復(fù)合體的粒子組成(particle configuration)所得到的有關(guān)結(jié)論相吻合[22]。

然而，對于本研究所用的摻雜樣品結(jié)構(gòu)，實(shí)際上其內(nèi)部的載流子分布以及外場對它們的影響機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的。例如，由于平坦的能帶結(jié)構(gòu)是起源于摻雜電子(或摻雜層)對內(nèi)秉電場或外電場的屏蔽效應(yīng)，因此，ZnSe層中的摻雜電子會(huì)偏離所在層的中心位置，而這個(gè)因素將會(huì)影響帶電激子的構(gòu)成形態(tài)。此外，由于載流子存在于如此薄的有源區(qū)內(nèi)，所以難以確保如圖5(a)所述的那樣隨著柵極負(fù)電壓的增加，其對載流子的作用是由近及遠(yuǎn)逐層進(jìn)行的，而極有可能是同時(shí)作用于整個(gè)有源區(qū)。如果該假設(shè)成立，那么圖5(a)所示的模型也將是可能的候選模型。因此，要真正明確該結(jié)構(gòu)中空間間接帶電激子的具體組合形態(tài)，以及其形態(tài)隨外場(電場或磁場)的演變過程，今后還需要做進(jìn)一步的理論研究和實(shí)驗(yàn)探討。

圖5 ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)中帶電激子可能的組合形態(tài)，兩個(gè)電子占據(jù)同一個(gè)ZnSe層(a)； 兩個(gè)電子分別占據(jù)不同的ZnSe層(b)Fig.5 Schematic diagram of possible particle configuration of the negatively charged exciton in the ZnSe/BeTe/ZnSe type-Ⅱ quantum wells, two electrons in the same ZnSe layer (a) and in the different layer (b)

3 結(jié) 論

本文研究了N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結(jié)構(gòu)的空間間接躍遷PL譜的外加電場依賴性。結(jié)果顯示，無外加電場時(shí)該摻雜結(jié)構(gòu)的空間間接躍遷PL譜中只有一個(gè)線性偏振度較低的發(fā)光峰。這被認(rèn)為是摻雜電子屏蔽了樣品結(jié)構(gòu)中固有的內(nèi)秉電場并導(dǎo)致能帶變得平坦，使得發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)兩個(gè)界面的空間間接復(fù)合躍遷具有相似的光學(xué)特性所致。同時(shí)，這個(gè)發(fā)光峰還具有反玻爾茲曼分布的線型特征，并且其線型和線性偏振度幾乎不依賴于外場的變化，只是其積分PL強(qiáng)度隨負(fù)柵極電壓的增加而降低。這些特征表明了該結(jié)構(gòu)空間間接PL譜主要是來自負(fù)的帶電激子的貢獻(xiàn)。此外，對上述PL譜特征的初步探討結(jié)果表明，該空間間接帶電激子最可能的構(gòu)成模型似乎是空穴位于BeTe層中，而兩個(gè)電子分別處在不同的ZnSe層中，并形成一個(gè)對稱的組合形態(tài)。然而，要真正明確該結(jié)構(gòu)的空間間接帶電激子的具體組合形態(tài)，還需要做進(jìn)一步的理論研究和實(shí)驗(yàn)探討。