III-V-N半导体材料光学性质的研究

来源 :中国科学院半导体研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuoluo
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具有独特物理性质的N掺杂Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在光电器件上有着广阔的应用前景,近几十年来它一直吸引着众多学者的研究兴趣。本论文回顾和总结了Ga(In)NAs这类材料的研究和发展历史,主要采用流体静压下光致发光光谱和时间分辨光谱技术对GaAs99.9%N0.1%、GaAs97.3%Sb2.2%N0.5%的光学性质和电子结构进行了研究。   研究了GaAs1-xNx(x~0.1%)样品低温下的压力光谱以及在压力范围0-1.55GPa内各个PL发光峰的寿命。常压下30K时四个峰值能量分别在1.409(A2)、1.429(A3)、1.443(A4)和1.456eV(A5)的发光峰被观测到,这些峰随压力的增加几乎都以相同的速率(40meV/GPa)向高能方向移动,表明它们都与GaAsN中的NN对或N团簇态有关。当压力增加到0.63GPa时,一个新的发射峰A6出现在谱线的高能端,它可能来源于离合金带边最近的两个束缚态——NN1或NN2。常压下30K测得A5和A4的寿命分别是2.1和14.5ns,A3和A2的寿命都>20ns,超出了设备的探测范围。随着压力的增加,A5和A6的寿命迅速变长。压力的增加并没有较大地改变N束缚能级间的相对能量位置,因此能级间的能量驰豫并没有加剧,反而在一定程度上受到了抑制。分析N束缚态的寿命和它们束缚能间的相关性,揭示出随着压力增加而增加的束缚能是它们寿命变长的主要原因。   研究了N掺杂浓度为0.5%的GaAsSb2.2%N0.5%样品在不同温度、激发功率以及压力下的光致发光(PL)光谱。合金带边态的辐射复合发光峰B与来源于带尾态和N杂质中心的发光峰A在光致发光谱中被同时观测到,它们两个具有不同的温度和压力行为。B峰具有和GaAs带边峰相类似的温度行为,而A峰则随着温度的升高迅速红移。70K下在压力范围0-1.4GPa内,得到A和B的压力系数分别为45和67meV/GPa,与文献报道的N杂质态与合金带边的压力系数相近,其中B的压力系数稍小于其它N组分下的实验值。在局域态向非局域态转变的浓度附近合金带边态和N相关态之间有很强的相互作用,这可能是导致B的压力系数较小的主要原因。当压力增加到8.5GPa后A峰开始发生红移,而且这时相应地它的发光强度也迅速减弱。这种红移现象应该是A带中的带尾态和N杂质态随压力的增加并入越来越多基质导带的X谷成分而造成的。   此外,还利用压力光谱研究了ZnSe、Zn0.83Mn0.17Se和超晶格ZnSe/Zn0.84Mn0.16Se样品的光学性质。比较常压下它们的光致发光谱,发现近带边激子峰的能量EZnSe<ESL<EZnMnSe,表明ZnSe/Zn0.84Mn0.16Se在10K时是一类超晶格。测量各个样品10K时的压力光谱,得到它们带边激子峰的压力系数分别是αZnSe=66.4,αZnMnSe=53.1,αSL=54.5meV/GPa,当压力增加到~3.8GPa后,基本观测不到了超晶格样品的主发光峰,这应该与超晶格中势垒层与势阱层的翻转有关。理论计算了压力对超晶格中能带结构的影响,结果表明压力增加到0.94GPa时价带发生了翻转,增加到3.92GPa时导带也发生了翻转。   Mn2+离子的4T1→6A1跃迁在Zn0.83Mn0.17Se和ZnSe/Zn0.84Mn0.16Se超晶格样品中有不同的压力行为。体材料的压力系数为-42.4 meV/GPa,峰值随压力增加红移得较快,峰值强度随压力增加逐渐增强;超晶格的压力系数为-29.5meV/GPa,发光峰随压力的增加,红移速度较慢,而其发光强度几乎不受压力的影响。用晶体场理论计算体材料Zn0.83Mn0.17Se中Mn2+离子4T1→6A1谱线的压力系数为-38.3meV/GPa,和实验结果基本一致。
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