激發功率對GaInNAs單量子阱材料的光致發光的影響

莫敏·賽來，奧布力喀斯木·祖農，普拉提·艾合買提

（新疆大學物理科學與技術學院，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體材料，如GaAsN，GaInAsN等。由于制備工藝和晶體質量等因素的限制，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相比于常規多元化合物有較大的區別，對于GaAsN材料而言其能帶彎曲系數b在14-26 eV 范圍內，并且依賴于化合物中的氮組分。這種獨特的特性決定了Ga(In)AsN與其他化合物截然不同的能帶結構。

從1996年日立公司首先提出GaInAsN器件的研究發展至今，該材料在激光二極管和光電池方面的運用有著很大的應用潛力.有關于GaAs基GaInAsN器件研究的文章不斷發表[1，2]，GaInAsN材料也被應用到異質結雙極晶體管(HBTs)。用GaInAsN做HBTs的基極能夠有效地減少器件開啟電壓，并能在較低工作電壓環境下正常運行，這個特性尤其是在無線通訊的電功率放大器應用上非常有用。2012 年美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）公布了當時世界上轉換效率最高的三結太陽能電池，其轉換效率在418suns日照強度下為43.5%[3]（創造了當時的世界紀錄）及已經航天領域上服用，并且預測未來電池效率可以提高到50%，傳統太陽能電池需要占整個電池質量70%-80%的Ge襯底，這種多結太陽能電池不僅效率高，而且也減輕了太陽能電池的質量，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展的一個重要因素，使用稀氮化合物半導體材料制成的激光器能有效降低生產成本。

周所眾知，材料的質量能直接影響到器件的性能，制備優質的材料是研發高性能器件的前提條件。在大多數情況下，材料光學性質的測量是III-V半導體結構研究的主要方法之一。本實驗使用不同激發功率激光測試光致發光（PL）光譜參數。PL光譜是一種破壞性的測試方法，晶體材料的PL光譜包含豐富的信息，通過PL光譜可以判斷材料的帶隙與晶體質量【4】，同時也可以預測光電器件相關的一些重要性能。所以研究晶體材料的PL光譜在晶體材料領域中具有不可替代的研究意義。

1 實驗

圖1 GaInNAs單量子阱樣品結構圖

為了獲得異質結量子阱材料發光強度隨激發光功率密度的規律，選取了未摻雜的外延薄膜量子阱材料作為研究對象，樣品為通過分子束外延（MBE）方法在半絕緣GaAs襯底上生長的單量子阱結構，阱寬為7nm，樣品結構如圖1所示。激發光源采用波長為532 nm的半導體激光器。使用一套光學組件系統將激光束聚焦到樣品上。對于低溫測量，需要將樣品置于低溫恒溫器中并且用液氦壓縮機將溫度降至10K，為了得到更強的信號，需要從盡可能大的立體角收集激發出的光信號。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器來測量激發光譜的強度。用鎖相放大器放大信號，使用計算機控制單色儀的光柵來掃描選定的波長區域。該計算機還用于記錄測量信號強度，即發光的光譜。

2 實驗結果與分析

通過對樣品進行不同激發功率密度的低溫（10K）光致發光譜(PL) 測試可得到低溫下樣品PL隨激發功率密度化曲線。單量子阱隨著激發功率密度變化的光致發光譜如圖2所示。為了更準確地得到發光強度隨激發功率密度的變化過程,我們測試了在多個激發功率密度條件下的PL強度,并對圖中所有的光譜進行了歸一化處理。圖2顯示了在不同激發功率密度下的PL光譜。可以發現激子躍遷很明顯。這些激子躍遷與K點處的直接帶隙發光有關，該點包括導帶底和價帶頂之間的光學躍遷。在全部過程中，峰的位置保持不變，從圖3很容易發現積分發光強度與激發功率密度保持線性關系。

圖2 不同激發功率密度的

圖3 發光強度隨激發功率密光致發光譜度變化曲線

在PL測試過程中，樣品中價帶上的電子要激發到導帶上，必須選擇能量大于材料中電子-空穴對產生所需要的光子能量，因此激發光的能量必須大于材料的帶隙。電子-空穴對可能發生自發復合，導致材料各向同性的發光。能級之間的轉換決定了發光的光譜。因此，影響半導體能帶結構的因素也影響光致發光光譜。III-V化合物半導體的在低溫下由靠近近帶邊緣光致發光直接反應材料的質量。光致發光強度隨著激發功率變化，可以表明潛在的復合過程。

研究PL強度對功率密度對光致發光的影響，要考慮光激發產生的電子-空穴對的自由激子復合，施主-受主束縛激子輻射復合，施主-受主對復合，自由電子與中性受主復合，自由空穴與中性施主輻射復合，自由電子（空穴）與電離受主（電離施主）的躍遷等一些過程。熱激發和光激發是半導體材料中的主要激發方式，但低溫光致發光過程中的熱激發過程可以不計。很多實驗結果表明發光強度I與Lk成比比例[5]，對自由到束縛發射和施主受主復合k<1,對于自由和束縛激子發射1

方程（1）中的n表示電子的濃度，L是激發強度，ND0與NA0分別是中性施主與受主濃度，ND是總施主濃度，系數a、b、c,、d分別表示相應過程的概率，方程各項分別表示：載流子產生、電子與空穴的輻射復合、電子在電離施主的俘獲、導帶上的電子與中性受主的復合四個過程。隨著激發功率的增加自由激子也會線性增加，但被光激發載流子中性化的施主受主引起的束縛態增加的比它更快些。束縛態的增加自然就增加了束縛激子的復合比例[7]，根據I-Lk法則，此時當k值變小，會出現非線性；同時束縛態的變化能把光譜范圍變寬，使積分強度繼續按直線增加。

3 結論

用I-Lk法則研究了GaInNAs單量子阱結構PL譜隨激發光功率的變化。結果表明：隨著激發功率密度的改變積分強度與光譜峰值出現不太一樣的變化趨勢，這不一樣的趨勢主要由自由激子與束縛激子濃度增加的速度差異帶來的。實驗中發現在大的激發光功率條件下材料的PL信號沒有出現飽和并且在光譜曲線中沒有出現明顯的肩峰，說明稀氮材料表現出良好的性能，因此，該材料在制備先進電子器件領域具有很大的發展前景。

參考文獻

[1]周福成,唐吉玉,陳俊芳.GaInNAs/GaAs量子阱太陽電池模型建立與計算[J].半導體光電,2011,32 (3) :348-351.

[2]孫再吉.GaInNAs半導體激光器的研發[J],半導體信息,2007（1）18.

[3]Sabnis V, Homan Y, Mike W 2012 AIP Conference Proceedings. 1477. 14.

[4]曾光,薛永勝,劉小宇.光致發光（PL）檢測技術在太陽電池生產過程中的應用[J]. 上海節能,2013 (3) :25-2,

[5]D Kaplan,Y Gong et al Excitation intensity dependence of photoluminescencefrom monolayers of MoS2 and WS2/MoS2 heterostructures 2016 2D Mater. 3 015005.

[6]Prabhat Verma Laser power dependence of the photoluminescence from CdSxSe1-x nanoparticles in glass J. Phys.: Condens. Matter 12 (2000) 1097–1110.[7]唐明光.田興半導體光致熒光傳感器溫度特性分析激光與紅外[J].1988 (6) :7-10.