N型摻雜ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱中空間間接帶電激子躍遷發光的直接證據

屈尚達，冀子武

(山東大學微電子學院，濟南 250100)

0 引 言

Lampert 早在1958年就預言了半導體中帶電的激子復合體(即帶電激子trion，用符號X-或X+表示)的存在[1]。一個負(正)的帶電激子X-(X+)是由兩個電子(空穴)和一個空穴(電子)組成的，X-的構成類似于一個氫離子H-模型。然而，有關帶電激子的實驗觀察卻直到20世紀90年代初期才得以成功實現。研究結果表明，帶電激子更容易存在于半導體量子阱(QWs)中，這是因為與塊材料相比，帶電激子在量子阱結構中有一個更大的結合能(binding energy)[2]。由于形成X-的必要條件是結構內部必須有多余的自由電子，所以自由電子的濃度變化會直接影響到所形成的X-的數量，從而導致X-發光(PL)強度的變化。帶電激子這個概念已經引起了科研人員濃厚的興趣，并且成為理解低維半導體中各種光學過程的重要課題[3-4]。

近年來，ZnSe/BeTe Ⅱ型QWs結構已經吸引了一些研究者極大的關注[5-9]。與Ⅲ-V族相比，這個Ⅱ-Ⅵ族ZnSe/BeTe結構有更強的共價結合，且具有Ⅱ型能帶結構和較大的導帶(或價帶)邊能量落差(band offset)，及界面處很好的晶格匹配等一系列優點[10-11]。這些結構特點使得ZnSe層中受激產生的電子和空穴發生空間分離，電子被限制在原來的ZnSe層內，而部分空穴則逃逸到相鄰的能量更低的BeTe層中。這樣，ZnSe層中的電子波函數和BeTe層中的空穴波函數將會彼此滲透，并通過界面發生空間間接復合發光[10-15]。由于空間間接躍遷有一個較長的復合發光壽命，所以ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱結構非常適合觀察二維激子的凝聚現象[13,16]。然而，有關該結構空間間接PL的起源和物理機制，迄今為止卻沒有被詳細報道。

為了研究ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱結構中空間間接帶電激子躍遷的可能性并探討其形成機制，本文設計并制作了一個N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結構，并通過實驗測量了空間間接PL譜對外加電場的依賴性。結果顯示該量子阱結構的空間間接躍遷具有負的帶電激子的特征。

1 實 驗

本研究所用的N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe樣品是在日本國家產業技術綜合研究所(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]。其有源區為ZnSe(28 ML)/BeTe (10 ML)/ZnSe(28 ML)對稱結構，并被夾在兩個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。兩個厚度均為3 nm的摻雜層(ZnCl2)被對稱地生長在兩個隔離層Zn0.77Mg0.15Be0.08Se中，并且距離有源區均為10 nm。此外，為了得到質量較高的異質結界面并提高空間間接發光效率，有源區ZnSe/BeTe/ZnSe中的兩個異質結界面被相應地選擇形成一種Zn-Te 或Te-Zn化學鍵結構[10-11]。最后，在樣品的表面覆蓋了厚度約為0.7 nm的Zn保護層，以確保樣品結構質量的穩定性。對于該樣品的電極結構，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被連接到經臺面腐蝕(mesa etching)后的QW層。圖1顯示了該樣品結構和電極結構示意圖以及電極結構照片，圖2則顯示了ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱的能帶結構和界面結構。

對于空間間接PL譜的測量，本研究使用了脈沖寬度為100 fs，重復頻率為76 MHz的倍頻鎖模Ti藍寶石激光器作為激發光源(激發波長為370 nm)。本實驗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)下進行的，信號檢測器為液態氮冷卻的Triax1024型CCD (1 024×1 024陣列)。

2 結果與討論

圖1 (a)具有電極的N摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結構示意圖(虛線表示ZnCl2摻雜層)；(b)樣品的電極結構照片Fig.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型量子阱的能帶結構示意圖；(b)界面結構示意圖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)還發現，在沒有外加電壓時該摻雜樣品的PL譜呈現反玻爾茲曼(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。為了進一步探討該空間間接PL的起源，圖4顯示了其積分PL強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強度幾乎不變。然而，當外加電壓繼續降低時(0～-7 V)，PL強度卻顯著減小。這些特征提供了帶電激子發光的直接證據[12,18]。這是因為激子是一種玻色子，是由一個電子和一個空穴組成的。它的電中性特征，使得激子的復合躍遷通常與外加電場無關。然而，X-是一種費密子，它是由一個激子俘獲另外一個自由電子形成的，所以自由電子濃度的大小會直接影響所形成X-的多寡[18]。

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

為了進一步探討上述帶電激子的存在形態，本文嘗試提出兩個可能的模型：(1)帶電激子中的兩個電子占據同一個ZnSe層(見圖5(a))；(2)帶電激子中的兩個電子分別占據不同的ZnSe層(見圖5(b))。現根據圖3和圖4所示的實驗結果，來探討圖5所示的兩個模型中哪一個是本樣品結構中最可能的帶電激子存在形態。對于圖5(a)所示的帶電激子形態而言，隨著負柵極電壓的逐漸增加，上層ZnSe(即，距離柵電極較近的ZnSe層)中的電子應該首先受到排斥。這將會導致上層ZnSe中帶電激子輻射強度降低，并使得下層ZnSe(距離柵電極較遠的ZnSe層)中帶電激子的輻射占據支配地位，從而導致該樣品空間間接PL譜的線性偏振度發生明顯變化。顯然，這個推論與上述實驗結果不符，因此圖5(a)所示的存在形態應該被排除。另一方面，對于圖5(b)所示的帶電激子形態，隨著負柵極電壓的逐漸增加，電子濃度的減小應該只會降低帶電激子的輻射強度而不會影響其線性偏振度。這是因為圖5(b)所示帶電激子中的兩個電子分別處在空穴所在層BeTe兩側的ZnSe層中，是一種對稱結構，因此任何一側電子濃度的降低應該只會減少帶電激子形成的數量而不會影響其復合躍遷方式。所以，圖5(b)所示的帶電激子形態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采用擴散蒙特卡羅(diffusion Monte Carlo)方法研究GaAs/AlAs Ⅱ型超晶格中激子復合體的粒子組成(particle configuration)所得到的有關結論相吻合[22]。

然而，對于本研究所用的摻雜樣品結構，實際上其內部的載流子分布以及外場對它們的影響機制是相當復雜的。例如，由于平坦的能帶結構是起源于摻雜電子(或摻雜層)對內秉電場或外電場的屏蔽效應，因此，ZnSe層中的摻雜電子會偏離所在層的中心位置，而這個因素將會影響帶電激子的構成形態。此外，由于載流子存在于如此薄的有源區內，所以難以確保如圖5(a)所述的那樣隨著柵極負電壓的增加，其對載流子的作用是由近及遠逐層進行的，而極有可能是同時作用于整個有源區。如果該假設成立，那么圖5(a)所示的模型也將是可能的候選模型。因此，要真正明確該結構中空間間接帶電激子的具體組合形態，以及其形態隨外場(電場或磁場)的演變過程，今后還需要做進一步的理論研究和實驗探討。

圖5 ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結構中帶電激子可能的組合形態，兩個電子占據同一個ZnSe層(a)； 兩個電子分別占據不同的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 論

本文研究了N型摻雜ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱結構的空間間接躍遷PL譜的外加電場依賴性。結果顯示，無外加電場時該摻雜結構的空間間接躍遷PL譜中只有一個線性偏振度較低的發光峰。這被認為是摻雜電子屏蔽了樣品結構中固有的內秉電場并導致能帶變得平坦，使得發生在有源區內兩個界面的空間間接復合躍遷具有相似的光學特性所致。同時，這個發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強度隨負柵極電壓的增加而降低。這些特征表明了該結構空間間接PL譜主要是來自負的帶電激子的貢獻。此外，對上述PL譜特征的初步探討結果表明，該空間間接帶電激子最可能的構成模型似乎是空穴位于BeTe層中，而兩個電子分別處在不同的ZnSe層中，并形成一個對稱的組合形態。然而，要真正明確該結構的空間間接帶電激子的具體組合形態，還需要做進一步的理論研究和實驗探討。