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分享一篇來自上海大學查訪星教授團隊的新研究成果，本文以“The interfacial features in photoluminescence of In0.52Al0.48As/InP distinguished with selective excitation”為題發(fā)表于期刊AIP Advances，原文鏈接：doi.org/10.1063/5.0177708。希望對您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。
正文
在InP基底上生長的晶格匹配的三元合金In0.52Al0.48As是一種重要的III-V族半導體異質(zhì)結構，廣泛應用于制造多種光電和電子器件，包括紅外和太赫茲設備、單電子雪崩二極管以及高電子遷移率晶體管（HEMTs）。對于這些應用，InAlAs/InP的界面至今在外延生長和界面物理方面仍然是一個復雜的問題。研究表明，界面質(zhì)量與生長條件，如溫度、V/III族元素流量比和其他參數(shù)，有著密切的聯(lián)系。
在晶格匹配的InAlAs/InP外延層中，界面處也會形成三維納米結構，這會影響界面的結構和形態(tài)的完整性。盡管InAlAs/InP屬于II型異質(zhì)結構，但它并不展示II型界面的典型光學特性。Vignaud和Duez等人提出了一個混合型I-II界面模型來解釋這些現(xiàn)象。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，InP/InAlAs的直接界面和反向界面在界面成分和結構上存在差異，這些差異在光學性質(zhì)中得到了體現(xiàn)。Hellara等人為反向界面提出了一個In-As-P組分的漸近界面模型，該模型在后續(xù)研究中得到了引用。
為了更深入地理解In0.52Al0.48As/InP異質(zhì)結構的界面特性，本研究進行了光致發(fā)光（PL）實驗，并特別考慮了兩個因素。首先，實驗采用了波長為852 nm的半導體激光器，避免由于頂層的吸附作用而抑制界面激發(fā)。其次，考慮到852 nm激光在InP中的穿透深度大約為0.9 μm，實驗對具有不同蓋層厚度（2 μm和0.2 μm）的InP/InAlAs/InP雙異質(zhì)結構進行了PL特性分析。這種設計有助于區(qū)分由界面直接激發(fā)引起的發(fā)光機制和由界面處擴散載流子復合引起的機制。實驗結果顯示，反向異質(zhì)結構的光譜特性與直接異質(zhì)結構顯著不同，特別是反向界面在1.117 eV（P2）處的發(fā)光峰在將激發(fā)源從852 nm激光更換為532 nm激光時會消失。此外，在低激發(fā)強度下觀察到的發(fā)光峰位有較大的藍移，但當激發(fā)強度進一步提高時，藍移的程度會減小。這種現(xiàn)象歸因于不同激發(fā)強度下的發(fā)光機制差異。低激發(fā)強度下的發(fā)光主要由局域激子的復合主導，而高激發(fā)強度下的發(fā)光則主要由界面電子與光生空穴在界面勢阱中的復合主導。
本文中的PL實驗使用卓立漢光公司的Omni-3007光譜儀測量得到。其中發(fā)光部分的檢測使用InGaAs探測器，一臺與SR540斬波器耦合的Stanford SR830鎖定放大器用于信號采集。
圖1.(a) 單異質(zhì)結構InAlAs/InP（樣品A）和 (b) 雙異質(zhì)結構InP/InAlAs/InP（樣品B1）在77 K下被852 nm激光器（5 mW）激發(fā)的光致發(fā)光（PL）光譜。(c) 直接界面的混合型I-II（InAlAs-InAs-InP）異質(zhì)結構的能帶結構。(d) 和 (e) 分別為樣品A中P0以及樣品B1中P1和P2的功率依賴性PL光譜（5–30 mW）。圖(d)中的插圖顯示了1.404 eV峰值的功率依賴性PL光譜（5–30 mW）。(f) 沒有InP的雙異質(zhì)結構InP/InAlAs/InP（樣品B2）在77 K下被852 nm激光器（5 mW）激發(fā)的PL光譜。
圖1(a)和1(b)分別展示了使用852納米激光器（5毫瓦）激發(fā)的InAlAs/InP（樣品A）和InP/InAlAs/InP（樣品B1）的光致發(fā)光（PL）光譜。兩個樣品都展現(xiàn)出1.404電子伏特的發(fā)光峰，伴隨有一個較小強度的1.370電子伏特的側峰。1.404電子伏特（883.5納米）的峰位比InP襯底的發(fā)光峰（1.407電子伏特，881納米）略有紅移。這種紅移可以歸因于與其他發(fā)光機制的疊加，這些機制與InP體材料的激子復合相重疊。
之前由Bergman等人提出的二維電子氣（2DEG）與價帶空穴復合的界面發(fā)光機制，用于解釋GaN/AlGaN異質(zhì)結構的近帶隙發(fā)光。該機制用圖1(c)中草繪的復合過程來說明。圖1(c)中顯示的其他三個過程，①與InP體材料的激子發(fā)射有關，②是對應于1.370電子伏特峰的帶邊態(tài)發(fā)光，而過程④受P0峰影響，后面將詳細討論。由于2DEG的局限能級接近InP導帶的底部，1.404電子伏特的PL峰僅從InP體材料的峰位紅移了3毫電子伏特，這是由①和③兩個過程的聯(lián)合貢獻引起的。
圖1(d)和1(e)展示了峰位隨功率變化的情況。當激發(fā)從5增加到30毫瓦時，P0峰從1035納米（1.198電子伏特）變化到1010納米（1.228電子伏特），P1峰從1000納米（1.240電子伏特）變化到975納米（1.272電子伏特），P2峰位從1110納米（1.117電子伏特）變化到1095納米（1.132電子伏特）。P0和P1的藍移量高達30毫電子伏特，這歸因于非平衡載流子的準費米能級的提升，即光注入的電子和空穴在勢阱中。
圖2. (a) 由532納米激光器（5毫瓦）激發(fā)的InP/InAlAs/InP（樣品B1）的光致發(fā)光（PL）光譜。(b) P1隨著激發(fā)功率從5到30毫瓦變化時的演變。
藍移效應與圖1(b)中852nm激光器顯示的效應相同。盡管532nm激光器并不直接激發(fā)界面躍遷，P1仍然是一種與界面相關的發(fā)光類型。盡管光生載流子在InP層中被激發(fā)，但它們擴散到界面區(qū)域，其中電子被困在勢阱中，而空穴則被界面處的缺陷所捕獲。勢阱中的電子與被捕獲的空穴的復合產(chǎn)生了P1的發(fā)光。對于在高晶面指數(shù)InP(311)襯底上生長的InP/In0.52Al0.48As的反向界面，也觀察到了類似的與界面缺陷相關的發(fā)光。圖2(b)中顯示的藍移效應起因于注入引起的阱中電子的準費米能級的上升。
圖3. (a) 具有200納米厚的InP蓋層的InP/InAlAs/InP（樣品B3）在77 K下由852納米激光器（5毫瓦）激發(fā)的光致發(fā)光（PL）光譜。(b) 樣品B3的PL光譜隨著激發(fā)強度（5至30毫瓦）變化的演變。(c) 反向界面的能帶結構。(d) 界面激發(fā)注入空穴時，通過帶尾填充效應調(diào)節(jié)能量的局域載流子復合發(fā)光的示意圖。
為了研究與界面激發(fā)相關的P2的機制，圖3(a)展示了在77 K下由5毫瓦的852納米激光器激發(fā)的樣品B3的PL光譜。與樣品B1（見圖1(b)）相比，主要的光譜特征基本相同。隨著激發(fā)功率的變化，線形變化顯著不同。當進一步增強激發(fā)時，“藍移”變?yōu)樽兓^慢，表現(xiàn)出與圖1(d)中P0相同的趨勢。上述現(xiàn)象暗示了兩種不同發(fā)光機制之間的轉(zhuǎn)變，即在較低激發(fā)功率下表現(xiàn)的P2峰在激發(fā)變大時轉(zhuǎn)變?yōu)镻0類型。
研究表明，在InP/InAlAs的反向界面處形成了一個薄的成分梯度層InAsP，其界面電子結構在圖3(c)中以圖解形式顯示。隨著梯度層的形成，由于In-As和Al-As鍵能之間的巨大差異，可能會發(fā)生聚集效應。結構變化可能會引入局部態(tài)，在價帶頂部形成一個帶尾。當光照射時，帶尾電子電離可能會產(chǎn)生局部激子。激子的能量與空穴的準費米能級有關，隨著激發(fā)強度的增加，該能級將接近價帶頂部。隨之而來的激子復合能量隨著上述過程而增加，導致在低激發(fā)范圍內(nèi)P2的激發(fā)強度出現(xiàn)明顯的藍移變化。與直接界面類似，反向界面也存在一個限制光生空穴的勢阱。假設在低激發(fā)情況下，阱中空穴的基本能級比空穴的準費米能級更接近價帶頂部，那么藍移效應則歸因于空穴的帶尾填充效應。隨著載流子注入的持續(xù)，空穴的準費米能級達到阱中空穴的局限能級，因此主導的發(fā)光由界面電子與注入到勢阱中的空穴的復合所取代。
總結
通過光致發(fā)光（PL）技術測量的InAlAs/InP的直接和反向異質(zhì)結構的帶隙以下發(fā)光的研究，它們顯示出非常不同的光譜特性。950-1200納米光譜范圍內(nèi)的發(fā)光峰與界面有關，但原因相當不同。直接界面顯示了一個低于帶隙的單一峰，源于界面電子與界面處混合型I-II勢阱中限制的空穴的復合。反向界面也受到這樣的勢阱的影響。此外，界面涉及更多的復雜性，包括來自缺陷和局部激子的發(fā)光。隨著激發(fā)強度的增加，反向異質(zhì)結構的光譜線形演變意味著從局部激子的發(fā)光轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑骐娮优c注入到量子阱中的空穴的復合。在低激發(fā)功率范圍內(nèi)，前者占主導地位，其中發(fā)光峰的大藍移歸因于與帶尾填充效應相關的載流子局域化機制。
上海大學查訪星教授簡介
查訪星，教授，博士生導師。于德國馬普固體所獲自然科學博士學位，2001年于德國馬克斯-普朗克固體所與圖賓根大學應用物理所從事博士后研究。2003年起擔任昆明物理研究所研究員。2006年至今任上海大學理學院物理系研究員。研究方向有：掃描隧道顯微鏡及光譜實驗表征； 納米結構與半導體低維結構的電子性質(zhì)；光電子器件物理等。
一些代表性成果：應用超高真空掃描隧道顯微鏡研究納米結構和半導體表面，觀察到一系列異常成像與電子隧穿特性；澄清國際上關于半導體碳納米管掃描隧道譜物理解釋的分歧。光電器件研究方面將飛秒激光打孔技術應用于碲鎘汞和稀鉍半導體材料，發(fā)現(xiàn)生成微結構的光伏效應及光譜紅移等新現(xiàn)象。闡明離子刻蝕法構建碲鎘汞紅外探測器的所產(chǎn)生的光譜藍移的物理起源。實驗方法上建立了將光電流微區(qū)成像與光譜表征耦合的新型多功能表征系統(tǒng)。研究成果發(fā)表于Phys. Rev.B、Appl. Phys. Lett.、Optics Lett.和Carbon等國際權威專業(yè)期刊。已主持有國家自然基金面上、人事部歸國留學人員重點基金等縱向課題及其它橫向課題，并作為項目骨干參加國家自然基金重點項目。與中科院上海技術物理所、中科院微系統(tǒng)所和復旦大學等單位建立密切合作，協(xié)作參與上述單位牽頭的多項國家重大研究計劃。
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