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)
電子束泵浦的寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件,諸如鋁氮基的量子阱和硒化鋅基量子阱結(jié)構(gòu),是小型化紫外發(fā)光、激光器件的理想候選材料[1-2]。氧化鋅是一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體,高達(dá)60 meV的激子結(jié)合能[1]使其在室溫下具有很高的發(fā)光效率。二戰(zhàn)后,憑借作為第一代陰極射線熒光管的熒光粉的出眾表現(xiàn),氧化鋅步入固體發(fā)光材料研究視野。氧化鋅粉末隨機(jī)激光的報(bào)道使其研究在最近十余年達(dá)到新的研究高潮。無疑,氧化鋅是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效電子束泵浦器件的理想選擇之一。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有一定輸出波長的電子束泵浦器件時(shí),對(duì)外界條件改變導(dǎo)致的峰位移動(dòng)必須予以足夠重視和全面考慮,特別是在依據(jù)超輻射峰位設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)更應(yīng)如此。除了溫度因素和自吸收之外,不同注入條件下量子限域斯塔克效應(yīng)引起發(fā)光紅移是量子阱器件必須考慮的因素[3-6]。
多數(shù)已報(bào)道的電子束泵浦紫外發(fā)光器件的電子束流都是50 μA 量級(jí)的較小束流[1-2,7-8]。可用的小型化紫外光源必然有大束流下高效、穩(wěn)定工作的要求。在電流注入的量子阱器件中,大注入下較易出現(xiàn)量子限域斯塔克效應(yīng)。雖然在電子束泵浦情況下尚無量子限域斯塔克效應(yīng)的報(bào)道,但一般情況下大束流輻照易于形成表面電荷積累,有可能產(chǎn)生強(qiáng)的電場繼而引發(fā)量子限域斯塔克效應(yīng)。本研究在大束流(92 mA)電子束泵浦下觀測(cè)到量子阱發(fā)光峰紅移,排除了自吸收的影響,證實(shí)了量子限域斯塔克效應(yīng)在電子束泵浦條件下的存在。該結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)電子束泵浦激光器件具有一定的參考作用。
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(Symmetric multi-quantum wells,SMQW)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),以純度分別為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[6-8]。
SMQW 樣品包括生長在藍(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 單元以及位于量子阱層上的50 nm 厚的Zn0.85Mg0.15O 蓋層(Cap layer)。
對(duì)于ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對(duì)稱雙量子阱,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。它的特點(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,每兩個(gè)周期之間用較厚的阻斷層隔開樣品。小束流電子束泵浦的熒光光譜測(cè)試采用Mono CL4 光譜儀,配有300 mm Czerny-Turner 單色儀,儀器分辨率為1.0 nm。大束流泵浦測(cè)試是在高真空(<1.33 ×10-6Pa)腔體中進(jìn)行的,利用F-7000 分光光度計(jì)進(jìn)行光譜采集。所有測(cè)試工作均在室溫下進(jìn)行,固定樣品的熱沉可以有效地保證散熱。
圖1 (a)VA=6 kV,小束流泵浦下ADQW 樣品的CL 譜和ADQW 結(jié)構(gòu)簡圖;(b)VA=2.5 kV,小束流泵浦下ADQW 的CL 譜。Fig.1 (a)CL spectra of the sample with VAof 6 kV.The insets is the sketch of the sample structure and the detail of each ADQW unit.(b)CL spectra of the sample with VAof 2.5 kV.
圖1(a)為加速電壓VA=6 kV 時(shí)小束流(285 μA)電子束泵浦下非對(duì)稱雙量子阱的熒光光譜。從CL 光譜圖可以發(fā)現(xiàn),除了來自阱區(qū)的373 nm發(fā)光峰之外,沒有檢測(cè)到任何其他能量的發(fā)光,說明所制得的量子阱層具有低的缺陷密度。圖1(b)為VA=2.5 kV 時(shí)小束流(285 μA)電子束泵浦下樣品的熒光(PL)光譜。位于367 nm 和373 nm 的兩個(gè)發(fā)光峰分別對(duì)應(yīng)來源于窄阱(3-nmwide well)和寬阱(6-nm-wide well)的發(fā)光。
依據(jù)Kanaya-Okayama 電子穿透深度公式,可以利用CASINO V2.42 軟件對(duì)電子束在樣品中的穿透深度和加速電壓之間的關(guān)系進(jìn)行Monte Carlo模擬[12-13]。設(shè)定加速電壓為1.5 kV 的情況下,Monte Carlo 模擬的結(jié)果如圖2(a)所示。此時(shí),大部分電子束的能量都被樣品表面以下50 nm 的薄層,也就是被MgZnO 蓋層吸收殆盡。因此,1.5 kV 的低壓不足以激發(fā)量子阱樣品。當(dāng)加速電壓升高到2.5 kV 時(shí),電子束的穿透深度已經(jīng)深入阱區(qū),如圖2(b)所示。當(dāng)加速電壓提升到5 kV 時(shí),電子束已經(jīng)可以到達(dá)MgZnO 緩沖層(Buffer layer),電子束95%的能量被樣品的阱層吸收。
圖2 不同加速電壓下電子束能量射入ADQW 樣品的橫斷面模擬圖。(a)1.5 kV;(b)2.5 kV;(c)5 kV。Fig.2 Simulated electron penetration profiles at differrent VA.(a)1.5 kV.(b)2.5 kV.(c)5 kV。
圖3 給出了保持束流為285 μA 不變,CL 光譜和相應(yīng)的輸出功率隨加速電壓的變化情況。在加速電壓達(dá)到2.5 kV 時(shí),依據(jù)圖2(b)可知電子束的穿透深度已經(jīng)進(jìn)入阱區(qū),該電壓激發(fā)下寬阱和窄阱的發(fā)光都可以觀察到,如圖1(b)所示。加速電壓達(dá)到5 kV 時(shí),電子束泵浦的熒光光譜中位于367 nm 的窄阱發(fā)光消失,只有峰位在373 nm處的源自寬阱的發(fā)光峰。這說明大部分窄阱中的激子隧穿到了寬阱中[14]。
圖3 小束流不同電壓下ADQW 樣品的CL 譜(a)和相應(yīng)的輸出功率變化(b)Fig.3 CL spectra (a)and output power (b)as functions of VAunder irradiated current 285 μA
圖4 所示為大束流(92 mA)電子束泵浦下非對(duì)稱雙量子阱樣品在不同加速電壓下測(cè)得的光譜,加速電壓由1.5 kV 間隔0.5 kV 逐漸增加到主流商用平板顯示器的電子束源加速電壓的上限,即5.0 kV。光譜中只出現(xiàn)一個(gè)384 nm 發(fā)光峰。此外,無論是大束流還是小束流激勵(lì)下的光譜,樣品的發(fā)光峰位都沒有隨加速電壓的升高而移動(dòng),只是光譜強(qiáng)度隨加速電壓的增加而增大。
圖4 大束流不同電壓下ADQW 樣品的CL 譜(a)和相應(yīng)的輸出功率變化(b)Fig.4 CL spectra (a)and output power (b)as functions of VAunder irradiated current of 92 mA.The inset is the EBP digital photographs under light.
在加速電壓達(dá)到和超過4.0 kV 的情況下,阱區(qū)基本已被充分激發(fā)。對(duì)比圖1(b)和圖3 中的寬阱發(fā)光峰位,大束流泵浦下的發(fā)光峰相對(duì)于小束流下產(chǎn)生了大約11 nm 的紅移。在測(cè)試的全過程中,樣品散熱良好,排除了該紅移來自溫升的可能。自吸收(Internal absorption)也會(huì)造成CL 發(fā)光紅移,但自吸收導(dǎo)致的紅移,其CL 發(fā)光峰會(huì)隨加速電壓的升高單調(diào)紅移[12-13]。而圖4 和圖3 所展示的結(jié)果中,ADQW 寬阱的發(fā)光峰位幾乎不隨加速電壓的升高而發(fā)生移動(dòng)。所以,此處11 nm的紅移只能是由量子限域斯塔克效應(yīng)而產(chǎn)生的。
圖5 ADQW 的量子限域斯塔克效應(yīng)能帶圖Fig.5 Sketch of the energy band of ADQW under electric field induced by charge accumulated on the quantum well surface
一般情況下,c 軸取向ZnO 的自發(fā)極化和壓電極化產(chǎn)生的內(nèi)電場可以導(dǎo)致量子限域斯塔克效應(yīng)[4-6]。截至目前,有關(guān)ZnO/ZnxMg1-xO 量子阱的量子限域斯塔克效應(yīng)的報(bào)道多局限于光泵和電流注入發(fā)光方面[4-6]。在氧化鋅基量子阱結(jié)構(gòu)中,由表面電荷積累產(chǎn)生電場導(dǎo)致量子限域斯塔克效應(yīng)的現(xiàn)象還未見報(bào)道。一般地,除了束流充分小和樣品表面電導(dǎo)率極高的特殊情況外,電子束泵浦固體樣品時(shí)都會(huì)形成一定程度的表面電荷積累從而產(chǎn)生電場。如果這一電場的強(qiáng)度較大,足以使非對(duì)稱雙量子阱樣品的能帶產(chǎn)生明顯的傾斜,從而使有效帶隙窄化,導(dǎo)致激子復(fù)合能量降低。圖5 是忽略自發(fā)極化和壓電極化情況下的能帶示意圖,其中左側(cè)向下的藍(lán)色箭頭指示的是受到量子限域斯塔克效應(yīng)影響的輻射復(fù)合過程。根據(jù)公式(ΔE/e)/d,其中ΔE、e 和d 分別是發(fā)光峰能量降低的大小、電子電量和發(fā)光峰位對(duì)應(yīng)的阱寬,可以由紅移對(duì)應(yīng)的發(fā)光能量降低來估算電荷積累導(dǎo)致的內(nèi)電場約為1.6 ×105V·cm-1。
綜上所述,我們研究了一系列加速電壓下,電子束泵浦的ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對(duì)稱雙量子阱在大束流和小束流下的室溫CL 譜。相對(duì)于小束流(285 μA)泵浦的情況,大束流(92 mA)下的發(fā)光峰發(fā)生了11 nm 的紅移。紅移的原因是表面電荷積累引起的量子限域斯塔克效應(yīng)使量子阱的有效帶隙窄化。估算內(nèi)電場大約為1.6 ×105V·cm-1。因此,在設(shè)計(jì)制備電子束泵浦的半導(dǎo)體發(fā)光器件過程中,特別是大束流電子束泵浦的情況,量子限域斯塔克效應(yīng)是必須考慮的因素。
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