冀子武 鄭雨軍 徐現(xiàn)剛

1)(山東大學(xué)物理學(xué)院，濟(jì)南 250100)2)(山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)(2009年11月14日收到;2010年7月25日收到修改稿)

超強(qiáng)磁場(chǎng)下非摻雜ZnSe/BeTeⅡ型量子阱中激子和帶電激子的光學(xué)特性*

冀子武1)鄭雨軍1)徐現(xiàn)剛2)

1)(山東大學(xué)物理學(xué)院，濟(jì)南 250100)2)(山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)(2009年11月14日收到;2010年7月25日收到修改稿)

報(bào)道了液態(tài)氦溫度(4.2 K)下非摻雜ZnSe/BeTeⅡ型量子結(jié)構(gòu)中ZnSe勢(shì)阱層內(nèi)空間直接光致發(fā)光(PL)光譜的磁場(chǎng)依賴性(磁場(chǎng)高達(dá)53 T).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著磁場(chǎng)的增加，激子和帶電激子的PL強(qiáng)度呈現(xiàn)出相反的振動(dòng)行為.當(dāng)激子的PL強(qiáng)度增加時(shí)帶電激子的PL強(qiáng)度減小，反之，當(dāng)激子的強(qiáng)度減小時(shí)帶電激子的強(qiáng)度卻增加.并且在整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)，這些振動(dòng)呈現(xiàn)近似等間隔的周期性變化.這個(gè)行為被解釋為費(fèi)米能級(jí)與朗道能級(jí)的周期性共振，這個(gè)共振導(dǎo)致了處于費(fèi)米能級(jí)上的二維電子氣態(tài)密度的周期性調(diào)制.

光致發(fā)光，二維電子氣，帶電激子，Ⅱ型量子阱

PACS:78.55.－ m，71.10.Ca，71.35.Pq，73.21.Fg，78.20.Ls

1.引 言

近年來(lái)，隨著分子束外延 (MBE)生長(zhǎng)設(shè)備與技術(shù)的日益完善和成熟，使得制作超低維、低晶格失配、低無(wú)意摻雜濃度的高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能［1—3］.ZnSe/BeTe作為一種新型的Ⅱ-Ⅵ族異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯示了許多新的特性.其Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)和較大的導(dǎo)帶(或價(jià)帶)邊能量落差△ECB(或△EVB)，使得勢(shì)阱層ZnSe中受激產(chǎn)生的電子和孔穴發(fā)生空間分離，電子被限制在原來(lái)的 ZnSe層內(nèi)，而空穴則逃逸到相鄰的能量更低的 BeTe層中［3—8］.這種空間分離所造成的 ZnSe層中電子和孔穴濃度的失衡，使得我們即使在非摻雜的結(jié)構(gòu)中也能夠在光致發(fā)光(PL)光譜中同時(shí)觀察到激子(X)和帶電激子 (X－)的存在［9，10］. 因此，ZnSe/BeTeⅡ型量子阱(QW)是研究低維半導(dǎo)體中各種光學(xué)過(guò)程，特別是高密度凝聚現(xiàn)象的理想結(jié)構(gòu).

在極限實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試、研究低維系統(tǒng)的各種光學(xué)行為，是理解、掌握其內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要手段之一.作為極限條件之一的超強(qiáng)磁場(chǎng)，已經(jīng)在研究ZnSe/BeTeⅡ型QW等結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性中發(fā)揮了重要的作用［4］.如在超強(qiáng)磁場(chǎng)下，通過(guò)回旋共振(cyclotron-resonance)測(cè)量已獲得阱層(ZnSe)中電子的濃度、有效質(zhì)量、散射時(shí)間及遷移率等重要信息;而在空間間接PL測(cè)量中，已觀察到多體相互作用(many-body interaction)的新型行為等.然而，在超強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，對(duì)于ZnSe/BeTeⅡ型QW結(jié)構(gòu)中X和X－共存的空間直接PL躍遷行為的研究，據(jù)我們所知，迄今為止還沒(méi)有詳細(xì)的報(bào)道.解明X和X－對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的不同相應(yīng)機(jī)制，對(duì)于豐富凝聚態(tài)理論，開(kāi)發(fā)新型的光電器件(如磁控開(kāi)關(guān)、磁觸發(fā)器件等)都具有重要意義.

為了探明ZnSe/BeTeⅡ型QW結(jié)構(gòu)的空間直接PL躍遷的內(nèi)部物理機(jī)理，本文設(shè)計(jì)并制作了非摻雜、非對(duì)稱的ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型 QW 結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了該結(jié)構(gòu)在極低溫(4.2 K)條件下PL光譜的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)高達(dá)53 T)依賴性.我們發(fā)現(xiàn)了PL譜在X和X－共存情況下的磁場(chǎng)變化行為，并詳細(xì)解釋了X和X－之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換機(jī)理.

2.樣品結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法

本研究所用的ZnSe/BeTe/ZnSe樣品是作者在日本千葉大學(xué)留學(xué)期間于日本國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)超高速光學(xué)器件研究室(UPDL)用分子束外延(MBE)的方法，在(001)GaAs襯底上生長(zhǎng)而成的［4，5］. 非對(duì)稱非摻雜的 ZnSe(40 ML)/BeTe(10 ML)/ZnSe(28 ML)QW結(jié)構(gòu)被夾在兩個(gè)200 nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層之間(ML:monolayer，單分子層).有關(guān)本樣品的生長(zhǎng)過(guò)程和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［3—5］.

圖1 不同磁場(chǎng)時(shí)的光譜(實(shí)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線分別表示X和X－在光譜中的分量，空心圓表示它們的和)

上述樣品的磁性 PL(magneto-PL)測(cè)量是作者作為研究員在日本東京大學(xué)物性研究所國(guó)際超強(qiáng)磁場(chǎng)研究中心工作期間進(jìn)行的.所用的脈沖磁場(chǎng)(高達(dá)53 T)是通過(guò)電容器放電產(chǎn)生的.磁場(chǎng)的方向與量子阱的生長(zhǎng)方向相同(即，法拉弟配置).一個(gè)連續(xù)波(cw)He-Cd激光器(325 nm)被用作激發(fā)光源.樣品表面的激發(fā)密度為P=10 W/cm2.上述光譜測(cè)量是在低溫(液態(tài)氦溫度，4.2 K)下進(jìn)行的.信號(hào)檢測(cè)使用了ANDOR TECHNOLOGY公司的ICCD探測(cè)器.

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1分別顯示了連續(xù)變化磁場(chǎng)(0—53 T)中相應(yīng)于0，26，和53 T時(shí)樣品結(jié)構(gòu)中 ZnSe層的空間直接PL譜的情形.測(cè)量溫度 T=4.2 K，激發(fā)密度 P=10 W/cm2.在零磁場(chǎng)時(shí)(如圖1(a)所示)，峰值處在能量為2.815 eV的發(fā)光峰為40 ML ZnSe層的X躍遷，而位于該發(fā)光峰的低能端約6 meV處的較強(qiáng)的發(fā)光峰為 X－的躍遷［9，10］. 然而，來(lái)自 20 ML ZnSe層的躍遷卻沒(méi)有被觀察到，這是由于該層的厚度太窄所致［9—12］.為了調(diào)查 X和X－的發(fā)光強(qiáng)度和峰值能量隨磁場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的所有PL譜我們用雙 Voigt線型(double voigt line-shape)函數(shù)進(jìn)行了反卷積［10，13］.圖 1顯示了磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，26和53 T時(shí)的擬合結(jié)果.其中，實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線分別表示分離的X和X－的發(fā)光峰，而空心圓則代表它們的和.圖2顯示了X和X－的PL強(qiáng)度和峰值能量在整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)(0—53 T)對(duì)磁場(chǎng)B的依賴性.

如圖2所示，當(dāng) B大于約12 T時(shí)，X－的 PL強(qiáng)度IX－和峰值能量 EX－顯示了一個(gè)明顯的振動(dòng)行為.然而，對(duì)于X，我們只觀察到了其 PL強(qiáng)度 IX的振動(dòng)行為.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在X和X－的PL強(qiáng)度之間存在著一個(gè)明顯的競(jìng)爭(zhēng)行為.即，當(dāng) IX－減小時(shí) IX增加，反之，當(dāng)IX－增加時(shí)IX減小.類似的振動(dòng)行為在其他樣品(如對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型量子阱)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中也已經(jīng)被觀察到.上述振動(dòng)行為被認(rèn)為是與 光生(photo-excited)空穴和處在費(fèi)米能級(jí)上的電子有關(guān).在磁場(chǎng)存在的情況下，二維電子氣(2DEG)系統(tǒng)的費(fèi)米面總是處在被電子占有的最高朗道能級(jí)(Landau level)上(如圖3所示).根據(jù)公式NL=eB/h(NL為每個(gè)朗道能級(jí)上的態(tài)密度，e電子的電量，h為普朗克常數(shù))，隨著 B的增加，每個(gè)朗道能級(jí)上的態(tài)密度也增加.因?yàn)榧ぐl(fā)強(qiáng)度是恒定的(P=10 W/cm2)，所以一般來(lái)說(shuō)電子的濃度(Ne)應(yīng)近似為常數(shù).基于上述分析，隨著B(niǎo)的增加，當(dāng)被電子占有的最高朗道能級(jí)變?yōu)槿諘r(shí)，費(fèi)米面就會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)較低的朗道能級(jí)上.這樣，朗道能級(jí)與費(fèi)米面的周期性共振導(dǎo)致了2DEG系統(tǒng)態(tài)密度的周期性調(diào)制.當(dāng)2DEG的濃度增加時(shí)，IX－增加，同時(shí)，由于來(lái)自電子的屏蔽作用也相應(yīng)增強(qiáng)，結(jié)果導(dǎo)致IX減小，反之亦然.因此，在連續(xù)變化的磁場(chǎng)中，IX－和IX的上述競(jìng)爭(zhēng)行為被認(rèn)為是起因于由費(fèi)米面與朗道能級(jí)周期性共振造成的2DEG濃度的周期性變化.EX－的振動(dòng)主要是起因于2DEG系統(tǒng)費(fèi)米面的起伏(如圖2(b)所示).

圖2 X和X－的PL積分強(qiáng)度(a)和峰值能量(b)與磁場(chǎng)的關(guān)系(豎直虛線顯示了IX－極小值和IX極大值所處的磁場(chǎng)位置)(a)IPL-B;(b)EPL-B

圖3 朗道能級(jí)與態(tài)密度關(guān)系示意圖.其中，E，D和EF分別表示能量，態(tài)密度和費(fèi)米面

我們也注意到，在整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)所用樣品以及其他相近樣品都展示了一個(gè)類似的變化行為，即，IX－展示了一個(gè)顯著的降低，同時(shí)EX－和EX則顯示了一個(gè)非線性增加(如圖2(a)所示).前者是由磁場(chǎng)產(chǎn)生的有效限制(effective confinement)導(dǎo)致X－的相干體積 (coherence volume)減小造成的［14］，而后者則是起因于激子的反磁性位移(excitonic diamagnetic shift).另外，我們還發(fā)現(xiàn)，IX－，IX及EX－的這些振動(dòng)所產(chǎn)生的極大值(或極小值)對(duì)于B來(lái)說(shuō)幾乎是等間隔的(如圖2中的豎直虛線所示).綜合其他樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)振動(dòng)間隔一般來(lái)說(shuō)是非規(guī)則的，并與多種因素有關(guān)(如，樣品結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)溫度，激發(fā)強(qiáng)度等).這個(gè)非規(guī)則的振動(dòng)間隔反映了在磁場(chǎng)變化過(guò)程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子濃度并不是一個(gè)恒量，因此我們無(wú)法根據(jù)公式ν=Neh/eB來(lái)求解填充因子ν.這可能是強(qiáng)磁場(chǎng)下的一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象，即在連續(xù)變化的強(qiáng)磁場(chǎng)中，該結(jié)構(gòu)中的電子濃度隨磁場(chǎng)的變化有一定的起伏.我們先前的有關(guān)該類結(jié)構(gòu)的Ⅱ型PL研究成果也支持這一觀點(diǎn)［15—17］.這一點(diǎn)不同于其它的一些研究報(bào)道，如，Lema tre［18］，Yamashita［19］，Nomura［20］等人的研究報(bào)道.因?yàn)檫@些報(bào)道所涉及的都是低磁場(chǎng)范圍(一般小于7 T，最大也不會(huì)超過(guò)12 T)下的光學(xué)行為，在這種情況下，電子濃度可以被看作是一個(gè)常數(shù)，所以可以用公式ν=Neh/eB來(lái)求解填充因子.當(dāng)然，要完全探明、解釋該結(jié)構(gòu)中的各種光學(xué)現(xiàn)象，還有待于進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)探討.

4.結(jié) 論

本文在極低溫、超強(qiáng)磁場(chǎng)條件下調(diào)查了非對(duì)稱、非摻雜ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型QW結(jié)構(gòu)的空間直接PL躍遷的光譜特性.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X和X－共存的PL光譜在連續(xù)變化的磁場(chǎng)中展示了一個(gè)有趣的振蕩行為:當(dāng)IX增強(qiáng)時(shí) IX－則減小，反之，當(dāng) IX減小時(shí)IX－則增強(qiáng).這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)行為被解釋為起因于朗道能級(jí)與費(fèi)米面的周期性共振，這個(gè)共振導(dǎo)致了2DEG濃度的周期性調(diào)制.當(dāng)2DEG濃度增加時(shí)，IX－增加，同時(shí)X因受到來(lái)自電子的屏蔽增加而導(dǎo)致其強(qiáng)度IX減小，反之亦然.EX－的振動(dòng)行為反映了費(fèi)米面隨變化磁場(chǎng)的起伏過(guò)程.

感謝日本千葉大學(xué)光物性量子傳導(dǎo)研究室的各位老師在數(shù)據(jù)處理、理論分析過(guò)程中所給予的大力支持和幫助.

［1］ Song Y X，Zhang W M，Liu J，Chu N N，Li S M 2009 Acta Phys.Sin.58 6471(in Chinese)［宋迎新、鄭衛(wèi)民、劉 靜、初寧寧、李素梅 2009物理學(xué)報(bào) 58 6471］

［2］ Cai C F，Wu H Z，Si J X，Sun Y，Dai N 2009 Acta Phys.Sin.58 3560(in Chinese)［蔡春鋒、吳惠楨、斯劍霄、孫 艷、戴寧2009物理學(xué)報(bào) 58 3560］

［3］ Ji Z W，Lu Y，Chen J X，Mino H，Akimoto R，Takeyama S 2008 Acta Phys.Sin.57 1214(in Chinese)［冀子武、魯 云、陳錦祥、三野弘文、秋本良一、嶽山正二郎 2008物理學(xué)報(bào) 57 1214］

［4］ Ji Z W，Mino H，Oto K，Akimoto R，Ono K，Takeyama S 2006 Semicond.Sci.Technol.21 87

［5］ Ji Z W，Yamamoto H，Mino H，Akimoto R，Takeyama S 2004 Physica E 22 632

［6］ Ji Z W，Mino H，Kojima E，Akimoto R，Takeyama S 2008 Acta Phys.Sin.57 3260(in Chinese)［冀子武、三野弘文、小映二、秋本良一、嶽山正二郎2008物理學(xué)報(bào)57 3260］

［7］ Ji Z W，Mino H，Oto K，Muro K，Akimoto R，Takeyama S 2008 Acta Phys.Sin.57 6609(in Chinese)［冀子武、三野弘文、音賢一、室清文、秋本良一、嶽山正二郎 2008物理學(xué)報(bào)57 6609］

［8］ Mino H，F(xiàn)ujikawa A，Akimoto R，Takeyama S 2004 Physica E 22 640

［9］ Ji Z W，Takeyama S，Mino H，Oto K，Muro K，Akimoto R 2008 Appl.Phys.Lett.92 093107

［10］ Ji Z W，Mino H，Oto K，Akimoto R 2009 Semicond.Sci.Technol.24 095016

［11］ Maksimov A.A，Tartakovskii I I，Yakovlev D R，Bayer M，Waag A 2006 JETP Lett.83 141

［12］ Haetty J，Lee E H，Luo H，Petrou A，Warnock J 1998 Solid State Commun.108 205

［13］ Manassen A，Cohen E，Ron Arza，Linder E，Pfeiffer L N 1996 Phys.Rev.B 54 10609

［14］ Homburg O，Sebald K，Michler P，Gutowski J，Wenisch H，Hommel D 2000 Phys.Rev.B 62 7413

［15］ Ji Z W，Enya Y，Mino H，Oto K，Muro K，Akimoto R，Takeyama S 2006 J.Phys:Conf.Seri.51 427

［16］ Ji Z W，Mino H，Oto K，Akimoto R，Ono K，Takeyama S 2006 Semicond.Sci.Technol.21 87

［17］ Enyal Y H 2007 Graduate School of Engineering Faculty of Engneering，the University of Tokyo Master Paper p116(in Chinese)［塩谷陽(yáng)平2007東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專攻碩士論文 p116］

［18］ Lema tre A，Testelin C，Rigaux C，Wojtowicz T，Karczewski G 2000 Phys.Rev.B 62 5059

［19］ Yamashita K，Kita T，Matsuura Y，Wada O，Geng C，Scholz F，Schweizer H，Oe K 2002 Phys.Rev.B 66 195317

［20］ Nomura S，Nakanishi T，Aoyagi Y 2001 Phys.Rev.B 63 165330

PACS:78.55.－ m，71.10.Ca，71.35.Pq，73.21.Fg，78.20.Ls

Optical properties of exciton and charged exciton in undoped ZnSe/BeTe type-Ⅱquantum wells under high magnetic fields*

Ji Zi-Wu1)Zheng Yu-Jun1)Xu Xian-Gang2)
1)(School of Physics，Shandong University，Jinan 250100，China)2)(State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China)(Received 14 November 2009;revised manuscript received 25 July 2010)

We report on the magnetic field(up to 53 T)dependence of photoluminescence(PL)spectra occurring as a spacially direct optical transition of the ZnSe layer in undoped ZnSe/BeTe/ZnSe type-II quantum structures at a low temperature(4.2 K).With magnetic field increasing，the PL intensity(IX)of exciton(X)shows an oscillation feature opposite to the PL intensity(IX－)of charged exciton(X－).As IX－

increases，IXdecreases，but as IX－

decreases，IXincreases.In all fields，the oscillation behaviour shows a periodic change approximately with magnetic field interval.The results are attributed to the periodic resonance of the Fermi level with the Landau level，which results in the modulation of the density of states of the 2DEG system at the Fermi energy.

luminescence，two-dimensional electron gas，charged exciton，type-Ⅱ quantum well

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):10844003，10874101)，山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):Y2008A10)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2009CB930503)資助的課題.

E-mail:jiziwu@gmail.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.1084403，10874101)，the Shandong Nataral Science Foundation of China(Grant No.Y2008A10)，the National Basic Research Program of China(Grant No.2009CB30503).

E-mail:jiziwu@gmail.com