电子束泵浦氧化锌基量子阱的斯塔克效应

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

电子束泵浦的宽带隙半导体异质结构器件，诸如铝氮基的量子阱和硒化锌基量子阱结构，是小型化紫外发光、激光器件的理想候选材料［1-2］。氧化锌是一种典型的宽禁带半导体，高达60 meV的激子结合能［1］使其在室温下具有很高的发光效率。二战后，凭借作为第一代阴极射线荧光管的荧光粉的出众表现，氧化锌步入固体发光材料研究视野。氧化锌粉末随机激光的报道使其研究在最近十余年达到新的研究高潮。无疑，氧化锌是实现稳定高效电子束泵浦器件的理想选择之一。在设计实现具有一定输出波长的电子束泵浦器件时，对外界条件改变导致的峰位移动必须予以足够重视和全面考虑，特别是在依据超辐射峰位设计谐振腔时更应如此。除了温度因素和自吸收之外，不同注入条件下量子限域斯塔克效应引起发光红移是量子阱器件必须考虑的因素［3-6］。

多数已报道的电子束泵浦紫外发光器件的电子束流都是50 μA 量级的较小束流［1-2，7-8］。可用的小型化紫外光源必然有大束流下高效、稳定工作的要求。在电流注入的量子阱器件中，大注入下较易出现量子限域斯塔克效应。虽然在电子束泵浦情况下尚无量子限域斯塔克效应的报道，但一般情况下大束流辐照易于形成表面电荷积累，有可能产生强的电场继而引发量子限域斯塔克效应。本研究在大束流(92 mA)电子束泵浦下观测到量子阱发光峰红移，排除了自吸收的影响，证实了量子限域斯塔克效应在电子束泵浦条件下的存在。该结果对设计电子束泵浦激光器件具有一定的参考作用。

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(Symmetric multi-quantum wells，SMQW)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，以纯度分别为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［6-8］。

SMQW 样品包括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 单元以及位于量子阱层上的50 nm 厚的Zn0.85Mg0.15O 盖层(Cap layer)。

对于ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非对称双量子阱，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。它的特点是每个周期内都具有宽阱和窄阱，中间是隧穿势垒，每两个周期之间用较厚的阻断层隔开样品。小束流电子束泵浦的荧光光谱测试采用Mono CL4 光谱仪，配有300 mm Czerny-Turner 单色仪，仪器分辨率为1.0 nm。大束流泵浦测试是在高真空(＜1.33 ×10－6Pa)腔体中进行的，利用F-7000 分光光度计进行光谱采集。所有测试工作均在室温下进行，固定样品的热沉可以有效地保证散热。

3 结果与讨论

图1 (a)VA=6 kV，小束流泵浦下ADQW 样品的CL 谱和ADQW 结构简图;(b)VA=2.5 kV，小束流泵浦下ADQW 的CL 谱。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.

图1(a)为加速电压VA=6 kV 时小束流(285 μA)电子束泵浦下非对称双量子阱的荧光光谱。从CL 光谱图可以发现，除了来自阱区的373 nm发光峰之外，没有检测到任何其他能量的发光，说明所制得的量子阱层具有低的缺陷密度。图1(b)为VA=2.5 kV 时小束流(285 μA)电子束泵浦下样品的荧光(PL)光谱。位于367 nm 和373 nm 的两个发光峰分别对应来源于窄阱(3-nmwide well)和宽阱(6-nm-wide well)的发光。

依据Kanaya-Okayama 电子穿透深度公式，可以利用CASINO V2.42 软件对电子束在样品中的穿透深度和加速电压之间的关系进行Monte Carlo模拟［12-13］。设定加速电压为1.5 kV 的情况下，Monte Carlo 模拟的结果如图2(a)所示。此时，大部分电子束的能量都被样品表面以下50 nm 的薄层，也就是被MgZnO 盖层吸收殆尽。因此，1.5 kV 的低压不足以激发量子阱样品。当加速电压升高到2.5 kV 时，电子束的穿透深度已经深入阱区，如图2(b)所示。当加速电压提升到5 kV 时，电子束已经可以到达MgZnO 缓冲层(Buffer layer)，电子束95%的能量被样品的阱层吸收。

图2 不同加速电压下电子束能量射入ADQW 样品的横断面模拟图。(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。

图3 给出了保持束流为285 μA 不变，CL 光谱和相应的输出功率随加速电压的变化情况。在加速电压达到2.5 kV 时，依据图2(b)可知电子束的穿透深度已经进入阱区，该电压激发下宽阱和窄阱的发光都可以观察到，如图1(b)所示。加速电压达到5 kV 时，电子束泵浦的荧光光谱中位于367 nm 的窄阱发光消失，只有峰位在373 nm处的源自宽阱的发光峰。这说明大部分窄阱中的激子隧穿到了宽阱中［14］。

图3 小束流不同电压下ADQW 样品的CL 谱(a)和相应的输出功率变化(b)Fig.3 CL spectra (a)and output power (b)as functions of VAunder irradiated current 285 μA

图4 所示为大束流(92 mA)电子束泵浦下非对称双量子阱样品在不同加速电压下测得的光谱，加速电压由1.5 kV 间隔0.5 kV 逐渐增加到主流商用平板显示器的电子束源加速电压的上限，即5.0 kV。光谱中只出现一个384 nm 发光峰。此外，无论是大束流还是小束流激励下的光谱，样品的发光峰位都没有随加速电压的升高而移动，只是光谱强度随加速电压的增加而增大。

图4 大束流不同电压下ADQW 样品的CL 谱(a)和相应的输出功率变化(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.

在加速电压达到和超过4.0 kV 的情况下，阱区基本已被充分激发。对比图1(b)和图3 中的宽阱发光峰位，大束流泵浦下的发光峰相对于小束流下产生了大约11 nm 的红移。在测试的全过程中，样品散热良好，排除了该红移来自温升的可能。自吸收(Internal absorption)也会造成CL 发光红移，但自吸收导致的红移，其CL 发光峰会随加速电压的升高单调红移［12-13］。而图4 和图3 所展示的结果中，ADQW 宽阱的发光峰位几乎不随加速电压的升高而发生移动。所以，此处11 nm的红移只能是由量子限域斯塔克效应而产生的。

图5 ADQW 的量子限域斯塔克效应能带图Fig.5 Sketch of the energy band of ADQW under electric field induced by charge accumulated on the quantum well surface

一般情况下，c 轴取向ZnO 的自发极化和压电极化产生的内电场可以导致量子限域斯塔克效应［4-6］。截至目前，有关ZnO/ZnxMg1－xO 量子阱的量子限域斯塔克效应的报道多局限于光泵和电流注入发光方面［4-6］。在氧化锌基量子阱结构中，由表面电荷积累产生电场导致量子限域斯塔克效应的现象还未见报道。一般地，除了束流充分小和样品表面电导率极高的特殊情况外，电子束泵浦固体样品时都会形成一定程度的表面电荷积累从而产生电场。如果这一电场的强度较大，足以使非对称双量子阱样品的能带产生明显的倾斜，从而使有效带隙窄化，导致激子复合能量降低。图5 是忽略自发极化和压电极化情况下的能带示意图，其中左侧向下的蓝色箭头指示的是受到量子限域斯塔克效应影响的辐射复合过程。根据公式(ΔE/e)/d，其中ΔE、e 和d 分别是发光峰能量降低的大小、电子电量和发光峰位对应的阱宽，可以由红移对应的发光能量降低来估算电荷积累导致的内电场约为1.6 ×105V·cm－1。

4 结 论

综上所述，我们研究了一系列加速电压下，电子束泵浦的ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非对称双量子阱在大束流和小束流下的室温CL 谱。相对于小束流(285 μA)泵浦的情况，大束流(92 mA)下的发光峰发生了11 nm 的红移。红移的原因是表面电荷积累引起的量子限域斯塔克效应使量子阱的有效带隙窄化。估算内电场大约为1.6 ×105V·cm－1。因此，在设计制备电子束泵浦的半导体发光器件过程中，特别是大束流电子束泵浦的情况，量子限域斯塔克效应是必须考虑的因素。

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