N型掺杂ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱中空间间接带电激子跃迁发光的直接证据

屈尚达，冀子武

(山东大学微电子学院，济南 250100)

0 引 言

Lampert 早在1958年就预言了半导体中带电的激子复合体(即带电激子trion，用符号X-或X+表示)的存在[1]。一个负(正)的带电激子X-(X+)是由两个电子(空穴)和一个空穴(电子)组成的，X-的构成类似于一个氢离子H-模型。然而，有关带电激子的实验观察却直到20世纪90年代初期才得以成功实现。研究结果表明，带电激子更容易存在于半导体量子阱(QWs)中，这是因为与块材料相比，带电激子在量子阱结构中有一个更大的结合能(binding energy)[2]。由于形成X-的必要条件是结构内部必须有多余的自由电子，所以自由电子的浓度变化会直接影响到所形成的X-的数量，从而导致X-发光(PL)强度的变化。带电激子这个概念已经引起了科研人员浓厚的兴趣，并且成为理解低维半导体中各种光学过程的重要课题[3-4]。

近年来，ZnSe/BeTe Ⅱ型QWs结构已经吸引了一些研究者极大的关注[5-9]。与Ⅲ-V族相比，这个Ⅱ-Ⅵ族ZnSe/BeTe结构有更强的共价结合，且具有Ⅱ型能带结构和较大的导带(或价带)边能量落差(band offset)，及界面处很好的晶格匹配等一系列优点[10-11]。这些结构特点使得ZnSe层中受激产生的电子和空穴发生空间分离，电子被限制在原来的ZnSe层内，而部分空穴则逃逸到相邻的能量更低的BeTe层中。这样，ZnSe层中的电子波函数和BeTe层中的空穴波函数将会彼此渗透，并通过界面发生空间间接复合发光[10-15]。由于空间间接跃迁有一个较长的复合发光寿命，所以ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱结构非常适合观察二维激子的凝聚现象[13,16]。然而，有关该结构空间间接PL的起源和物理机制，迄今为止却没有被详细报道。

为了研究ZnSe/BeTe Ⅱ型量子阱结构中空间间接带电激子跃迁的可能性并探讨其形成机制，本文设计并制作了一个N型掺杂ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱结构，并通过实验测量了空间间接PL谱对外加电场的依赖性。结果显示该量子阱结构的空间间接跃迁具有负的带电激子的特征。

1 实 验

本研究所用的N型掺杂ZnSe/BeTe/ZnSe样品是在日本国家产业技术综合研究所(AIST)采用分子束外延(MBE)的方法，在GaAs衬底的(001)面上生长而成的[10-11]。其有源区为ZnSe(28 ML)/BeTe (10 ML)/ZnSe(28 ML)对称结构，并被夹在两个200 nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔离层之间。这里，1 ML(单分子层)约为0.28 nm。两个厚度均为3 nm的掺杂层(ZnCl2)被对称地生长在两个隔离层Zn0.77Mg0.15Be0.08Se中，并且距离有源区均为10 nm。此外，为了得到质量较高的异质结界面并提高空间间接发光效率，有源区ZnSe/BeTe/ZnSe中的两个异质结界面被相应地选择形成一种Zn-Te 或Te-Zn化学键结构[10-11]。最后，在样品的表面覆盖了厚度约为0.7 nm的Zn保护层，以确保样品结构质量的稳定性。对于该样品的电极结构，首先半透明的NiCr薄膜作为栅电极被真空蒸镀在样品的表面，然后源极和漏极接点被连接到经台面腐蚀(mesa etching)后的QW层。图1显示了该样品结构和电极结构示意图以及电极结构照片，图2则显示了ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱的能带结构和界面结构。

对于空间间接PL谱的测量，本研究使用了脉冲宽度为100 fs，重复频率为76 MHz的倍频锁模Ti蓝宝石激光器作为激发光源(激发波长为370 nm)。本实验所施加的最大电压范围为+7 V至-7 V。上述光谱测量是在低温(5 K)下进行的，信号检测器为液态氮冷却的Triax1024型CCD (1 024×1 024阵列)。

2 结果与讨论

图1 (a)具有电极的N掺杂ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱结构示意图(虚线表示ZnCl2掺杂层)；(b)样品的电极结构照片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

图2 (a)ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱的能带结构示意图；(b)界面结构示意图Fig.2 (a) Band structure of the ZnSe/BeTe/ZnSe type-Ⅱ quantum wells; (b) schematic diagram of the interface structures

图3 (a)样品PL谱对栅极电压的依赖性；(b)发光峰的线性偏振度对栅极电压的依赖性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

图4 样品空间间接积分PL强度对栅极电压的依赖性Fig.4 Spatially indirect integrated PL intensity as a function of gate voltage

通过图3(a)还发现，在没有外加电压时该掺杂样品的PL谱呈现反玻尔兹曼(inverse-Boltzmann)分布[12,17]，并且其线型不依赖于外加电压的变化。这不同于激子的高斯分布特征，而是类似于带电激子的线型特征。为了进一步探讨该空间间接PL的起源，图4显示了其积分PL强度的栅极电压依赖性(电压范围为7～-7 V)。由图4可见，随着外加电压的降低(7～0 V)，PL强度几乎不变。然而，当外加电压继续降低时(0～-7 V)，PL强度却显著减小。这些特征提供了带电激子发光的直接证据[12,18]。这是因为激子是一种玻色子，是由一个电子和一个空穴组成的。它的电中性特征，使得激子的复合跃迁通常与外加电场无关。然而，X-是一种费密子，它是由一个激子俘获另外一个自由电子形成的，所以自由电子浓度的大小会直接影响所形成X-的多寡[18]。

因此，对于图4所示的空间间接积分PL强度的栅极电压依赖性，可解释如下：在正栅极电压范围内(7～0 V)，PL强度几乎是一个常数，这是因为掺杂层屏蔽了这个外加电场[12,19-21]。然而，随着负外加电压的增加(-1～-7 V)，其电场覆盖区域的电子将会受到排斥，使得电子浓度降低。因此，X-相关的PL强度显著降低。这有力地证明了N型掺杂ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱结构中的空间间接PL主要是来自负的带电激子的跃迁。另外，也注意到，随着负电压的增加，PL强度从约-5 V处开始显示了一个饱和的趋势(见图4)。造成这个现象的原因目前尚不清楚，但可能与以下因素有关：(1)由于工艺条件限制导致电极质量的不完美而致使电极附近的某些激光激发区域没有被施加上外电场，从而使得该区域的电子不会因受到排斥而导致其浓度降低；(2)距离电极较远的一些激光激发区域不会受到外加电场的作用，故该区域的电子浓度也不会随着负外加电压的增加而降低；(3)其他因素。

为了进一步探讨上述带电激子的存在形态，本文尝试提出两个可能的模型：(1)带电激子中的两个电子占据同一个ZnSe层(见图5(a))；(2)带电激子中的两个电子分别占据不同的ZnSe层(见图5(b))。现根据图3和图4所示的实验结果，来探讨图5所示的两个模型中哪一个是本样品结构中最可能的带电激子存在形态。对于图5(a)所示的带电激子形态而言，随着负栅极电压的逐渐增加，上层ZnSe(即，距离栅电极较近的ZnSe层)中的电子应该首先受到排斥。这将会导致上层ZnSe中带电激子辐射强度降低，并使得下层ZnSe(距离栅电极较远的ZnSe层)中带电激子的辐射占据支配地位，从而导致该样品空间间接PL谱的线性偏振度发生明显变化。显然，这个推论与上述实验结果不符，因此图5(a)所示的存在形态应该被排除。另一方面，对于图5(b)所示的带电激子形态，随着负栅极电压的逐渐增加，电子浓度的减小应该只会降低带电激子的辐射强度而不会影响其线性偏振度。这是因为图5(b)所示带电激子中的两个电子分别处在空穴所在层BeTe两侧的ZnSe层中，是一种对称结构，因此任何一侧电子浓度的降低应该只会减少带电激子形成的数量而不会影响其复合跃迁方式。所以，图5(b)所示的带电激子形态似乎是本研究所探讨的最可能的候选模型。这也与日本的Tsuchiya采用扩散蒙特卡罗(diffusion Monte Carlo)方法研究GaAs/AlAs Ⅱ型超晶格中激子复合体的粒子组成(particle configuration)所得到的有关结论相吻合[22]。

然而，对于本研究所用的掺杂样品结构，实际上其内部的载流子分布以及外场对它们的影响机制是相当复杂的。例如，由于平坦的能带结构是起源于掺杂电子(或掺杂层)对内秉电场或外电场的屏蔽效应，因此，ZnSe层中的掺杂电子会偏离所在层的中心位置，而这个因素将会影响带电激子的构成形态。此外，由于载流子存在于如此薄的有源区内，所以难以确保如图5(a)所述的那样随着栅极负电压的增加，其对载流子的作用是由近及远逐层进行的，而极有可能是同时作用于整个有源区。如果该假设成立，那么图5(a)所示的模型也将是可能的候选模型。因此，要真正明确该结构中空间间接带电激子的具体组合形态，以及其形态随外场(电场或磁场)的演变过程，今后还需要做进一步的理论研究和实验探讨。

图5 ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱结构中带电激子可能的组合形态，两个电子占据同一个ZnSe层(a)； 两个电子分别占据不同的ZnSe层(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 结 论

本文研究了N型掺杂ZnSe/BeTe/ZnSe Ⅱ型量子阱结构的空间间接跃迁PL谱的外加电场依赖性。结果显示，无外加电场时该掺杂结构的空间间接跃迁PL谱中只有一个线性偏振度较低的发光峰。这被认为是掺杂电子屏蔽了样品结构中固有的内秉电场并导致能带变得平坦，使得发生在有源区内两个界面的空间间接复合跃迁具有相似的光学特性所致。同时，这个发光峰还具有反玻尔兹曼分布的线型特征，并且其线型和线性偏振度几乎不依赖于外场的变化，只是其积分PL强度随负栅极电压的增加而降低。这些特征表明了该结构空间间接PL谱主要是来自负的带电激子的贡献。此外，对上述PL谱特征的初步探讨结果表明，该空间间接带电激子最可能的构成模型似乎是空穴位于BeTe层中，而两个电子分别处在不同的ZnSe层中，并形成一个对称的组合形态。然而，要真正明确该结构的空间间接带电激子的具体组合形态，还需要做进一步的理论研究和实验探讨。