非对称ZnO/ZnMgO双量子阱内量子效率的提高

尚 开，张振中，李炳辉，徐海阳，张立功，赵东旭，刘 雷，王双鹏，申德振

(1.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049; 3.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024)

1 引 言

紫外杀菌、光催化、表面修饰、眼科手术等诸多领域的迫切需要，大大促动了时下对紫外光源，尤其是便携式小型化紫外光源的研发进程[1-3]。凭借激子结合能(60 meV)较大等自身优势而被学界人士寄予厚望的氧化锌材料，业已在半导体发光二极管(LED)等紫外发光领域取得了令人瞩目的结果并展现出了愈加明朗的商业化前景。毋庸置疑，上述成绩的取得是源自氧化锌材料自身的优势和结构科学设计的有机结合[4-15]。提高内量子效率是提高输出功率的重要途径，是低维半导体材料光发射器件的重要技术指标[11]。氧化锌基量子阱的研究隶属和氧化锌“掺杂工程”并行的“能带工程”。优化结构设计以提高氧化锌基量子阱内量子效率，是一条常规的优选途径[4-15]。

然而，ZnO/ZnMgO量子阱内量子效率的相关研究还未见报道。此前，我们做过大量 ZnO/ZnMgO多量子阱和ZnCdSe/ZnSe非对称双量子阱的研究工作[9-10，14-15]。本文利用等离子体辅助分子束外延技术在c-plane面蓝宝石衬底上制备了ZnO/Zn0.85Mg0.15对称多量子阱和非对 称 双量子阱，证明以 ZnO/ZnMgO 非对称双量子阱(ADQW)为代表的非对称结构可以提高量子阱器件的内量子效率。

2 实 验

我们利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)的方法，在 c-Al2O3上制备了 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 对称多量子阱和非对称双量子阱(Asymmetric Double Quantum Wells，ADQW)。本文工作所采用的所有量子阱样品都是利用英国VG公司的V80H分子束处延改造而成的P-MBE设备在蓝宝石衬底上生长的。生长量子阱时，用纯度分别为6N和5N的高纯金属Zn与金属Mg，以及纯度为5N的氧气作为原料。有关生长的更多细节可参考我们此前的相关报道[14-15]。

对称多量子阱样品由生长在蓝宝石衬底上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 过渡层(Buffer Layer)、10 个周期的6 nm-Zn0.85Mg0.15O/6 nm-ZnO 单元、还有位于量子阱层上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 盖层(Cap Layer)构成。利用 P-MBE 制备 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非对称双量子阱时，首先生长50 nm的Zn0.85Mg0.15O缓冲层，再生长厚度分别为6/3/3 nm的5周期的宽阱/垒层/窄阱，阻断层(Wide Barrier)厚度为20 nm，样品最上面也是 50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 盖层。图1为非对称双量子阱一个单元的结构示意图，其特点是每个周期内都具有宽阱和窄阱，中间是隧穿势垒，每2个周期之间用较厚的阻断层隔开。氧锌镁层的镁含量是利用能量色散X射线光谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDXS)确定的。

图1 ADQW一个单元的结构示意图Fig.1 The structure of ADQW

3 结果与讨论

图2是室温下(295 K)ZnO/ZnMgO量子阱在He-Cd激光器325 nm激光泵浦下的光致发光光谱。从图中可以得知，与氧化锌体材料的光致发光峰能量(3.290 eV)比较，ZnO/ZnMgO ADQW 样品与6 nm-MQWs样品的光致发光峰能量(3.335 eV)和3 nm-MQWs样品的光致发光峰能量(3.378 eV)分别发生了45 meV和 88 meV的由于量子约束效应而产生的蓝移[15]。ADQW样品只监测到了1个来自6 nm宽阱的紫外发光峰。在同一泵浦功率密度下，ADQW样品这一位于373 nm紫外发射的积分光强大约比6 nm-MQWs样品高一个数量级。图1中的室温PL谱所示的3.335 eV抑或 3.378 eV处的主要发光峰，都来源于激子过程[16]，说明我们制备的薄膜具有较高的晶体质量。

图2 室温下ZnO/ZnMgO量子阱的光致发光光谱Fig.2 PL spectra of the ZnO/ZnMgO 6 nm-MQWs，3 nm-MQWs and ADQW at room temperature.

如图2展示的那样，ADQW样品的发光峰和6 nm-MQWs样品的一致，而不同于3 nm-MQW样品的发光峰，说明在非对称双量子阱的光致发光过程中，大多数窄阱中的非平衡载流子没有在窄阱中复合，而是隧穿到了宽阱中再发生辐射复合。除此之外，ADQW样品位于373 nm的紫外发射远强于6 nm-MQWs样品，也可以有力的证实激子在宽阱中的积累[9-10，12]。

与图2相对应，图3为室温下ZnO/ZnMgO ADQW光致发光过程的能带示意图。图中左侧为宽阱(Wide Well)，右侧为窄阱(Narrow Well)，两者间由薄垒层(Thin Barrier)隔开。E1we和E1ne分别对应n=1时宽阱和窄阱电子的子能级。因为阱宽不同导致量子限制作用的差别而使宽阱和窄阱中电子的子能级并不一致。正是由于子能级的不同，窄阱中处于激发态的电子和空穴才产生了向宽阱隧穿的动力。因为激子束缚能较大，所以该非对称阱中的载流子隧穿以激子方式进行[9-10，12]。

图3 室温下ZnO/ZnMgO ADQW光致发光能带示意图Fig.3 Band structure of the ADQW

一些相关报道[9-10，12]指出，如果宽阱和窄阱中电子的子能级的能量差等于或大于纵光学声子能量(ELO，ZnO的ELO约为72 meV)，就可以发生纵光学声子辅助的快速隧穿过程。并且，这种声子辅助隧穿过程所需时间小于激子在窄阱中的荧光寿命。换言之，窄阱中激子隧穿到宽阱中的概率大于在窄阱中复合的概率。正因为如此，在非对称双量子阱的光致发光过程中，多数窄阱中激子在复合之前就隧穿到了宽阱中再复合发光。

内量子效率(IQE)的定义是发射的光子数空穴对与被吸收的光子数之比。相对应的外量子效率(EQE)，则是发射的光子数与所有入射的光子数之比。由于载流子注入效率和内吸收等均难以确定，所以直接测定内量子效率是非常困难的[11]。通常假定处于30 K以下低温光泵测试的内量子效率为100%[1]，即忽略低温下所有的非辐射复合。这样，内量子效率就可以用室温和低温(30 K以下)光致发光积分光强的比值来测定。比方说IQE为I295/I12，其中I295是氧化锌基量子阱发光在295 K下的积分光强，I12是在12 K下的积分光强。实验结果如图4和图5所示。

由图4可知6 nm-MQWs样品的内量子效率大约为8.5%，而从图5中可知ADQW样品的内量子效率大约为～13.3%，大概是对称量子阱的1.56 倍。

图4 温度为12 K和295 K时，ZnO/ZnMgO MQWs样品的PL谱。Fig.4 The 12 K and 295 K PL spectra of the MQWs sample

图5 温度为12 K和295 K时，ZnO/ZnMgO ADQW样品的PL谱Fig.5 The 12 K and 295 K PL spectra of the ADQW

分析图5可知，在相同的泵浦功率密度下，ADQW样品的输出功率大约比6 nm-MQWs样品高一个数量级，而ADQW样品的内量子效率仅是6 nm-MQWs样品的1.56倍。据此可以判断，ADQW的载流子注入效率也必然存在显著提升。这一提升得益于激子隧穿产生的注入增强效应。

图6 非对称双量子阱和6 nm对称阱的时间分辨光谱Fig.6 Time-resolved PL decay curves monitored at the emission peaks of ADQW(blue dotted lines)and 6 nm-MQWs(red dotted lines)

为分析和确认非对称阱样品中激子隧穿的微观动力学过程，我们进行了样品的时间分辨光谱(Time-resolved-PL)测试。所用仪器是FL920-荧光寿命分光计(FL920-fluorescence Lifetime Spectrometer)。系统的分辨率为 12 ps，使用nF900脉冲激光器作为泵浦源。考虑到隧穿过程[12，18-19]，非对称双量子阱中宽阱(6 nm)发光的荧光寿命，应该比6 nm对称量子阱阱区发光的荧光寿命有所延长。

图6是6 nm对称量子阱和非对称双量子阱中宽阱(6 nm)的时间分辨光谱。分析此图可知，非对称双量子阱中宽阱(6 nm)的荧光寿命为1.21 ns，比 6 nm 对称量子阱的荧光寿命(0.89 ns)略长。据此我们确定，窄阱和宽阱之间存在激子隧穿。

4 结 论

相比于对称量子阱，ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非对称双量子阱光致发光的内量子效率有显著提高。时间分辨光谱和光致发光谱测试结果的一致性表明，从窄阱到宽阱的激子隧穿过程是非对称阱内量子效率提高的主要原因。量子阱在半导体发光、激光器件研究方面具有广泛应用，非对称双量子阱的激子隧穿及其所带来的降低阈值、提高效率等优势，无疑会对半导体器件设计起到积极的影响。

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