非對稱ZnO/ZnMgO雙量子阱內量子效率的提高

尚 開，張振中，李炳輝，徐海陽，張立功，趙東旭，劉 雷，王雙鵬，申德振

(1.發光學及應用國家重點實驗室中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049; 3.東北師范大學物理學院，吉林長春 130024)

1 引 言

紫外殺菌、光催化、表面修飾、眼科手術等諸多領域的迫切需要，大大促動了時下對紫外光源，尤其是便攜式小型化紫外光源的研發進程[1-3]。憑借激子結合能(60 meV)較大等自身優勢而被學界人士寄予厚望的氧化鋅材料，業已在半導體發光二極管(LED)等紫外發光領域取得了令人矚目的結果并展現出了愈加明朗的商業化前景。毋庸置疑，上述成績的取得是源自氧化鋅材料自身的優勢和結構科學設計的有機結合[4-15]。提高內量子效率是提高輸出功率的重要途徑，是低維半導體材料光發射器件的重要技術指標[11]。氧化鋅基量子阱的研究隸屬和氧化鋅“摻雜工程”并行的“能帶工程”。優化結構設計以提高氧化鋅基量子阱內量子效率，是一條常規的優選途徑[4-15]。

然而，ZnO/ZnMgO量子阱內量子效率的相關研究還未見報道。此前，我們做過大量 ZnO/ZnMgO多量子阱和ZnCdSe/ZnSe非對稱雙量子阱的研究工作[9-10，14-15]。本文利用等離子體輔助分子束外延技術在c-plane面藍寶石襯底上制備了ZnO/Zn0.85Mg0.15對稱多量子阱和非對 稱 雙量子阱，證明以 ZnO/ZnMgO 非對稱雙量子阱(ADQW)為代表的非對稱結構可以提高量子阱器件的內量子效率。

2 實 驗

我們利用等離子體輔助分子束外延(P-MBE)的方法，在 c-Al2O3上制備了 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 對稱多量子阱和非對稱雙量子阱(Asymmetric Double Quantum Wells，ADQW)。本文工作所采用的所有量子阱樣品都是利用英國VG公司的V80H分子束處延改造而成的P-MBE設備在藍寶石襯底上生長的。生長量子阱時，用純度分別為6N和5N的高純金屬Zn與金屬Mg，以及純度為5N的氧氣作為原料。有關生長的更多細節可參考我們此前的相關報道[14-15]。

對稱多量子阱樣品由生長在藍寶石襯底上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 過渡層(Buffer Layer)、10 個周期的6 nm-Zn0.85Mg0.15O/6 nm-ZnO 單元、還有位于量子阱層上的50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 蓋層(Cap Layer)構成。利用 P-MBE 制備 ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對稱雙量子阱時，首先生長50 nm的Zn0.85Mg0.15O緩沖層，再生長厚度分別為6/3/3 nm的5周期的寬阱/壘層/窄阱，阻斷層(Wide Barrier)厚度為20 nm，樣品最上面也是 50 nm 厚的 Zn0.85Mg0.15O 蓋層。圖1為非對稱雙量子阱一個單元的結構示意圖，其特點是每個周期內都具有寬阱和窄阱，中間是隧穿勢壘，每2個周期之間用較厚的阻斷層隔開。氧鋅鎂層的鎂含量是利用能量色散X射線光譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDXS)確定的。

圖1 ADQW一個單元的結構示意圖Fig.1 The structure of ADQW

3 結果與討論

圖2是室溫下(295 K)ZnO/ZnMgO量子阱在He-Cd激光器325 nm激光泵浦下的光致發光光譜。從圖中可以得知，與氧化鋅體材料的光致發光峰能量(3.290 eV)比較，ZnO/ZnMgO ADQW 樣品與6 nm-MQWs樣品的光致發光峰能量(3.335 eV)和3 nm-MQWs樣品的光致發光峰能量(3.378 eV)分別發生了45 meV和 88 meV的由于量子約束效應而產生的藍移[15]。ADQW樣品只監測到了1個來自6 nm寬阱的紫外發光峰。在同一泵浦功率密度下，ADQW樣品這一位于373 nm紫外發射的積分光強大約比6 nm-MQWs樣品高一個數量級。圖1中的室溫PL譜所示的3.335 eV抑或 3.378 eV處的主要發光峰，都來源于激子過程[16]，說明我們制備的薄膜具有較高的晶體質量。

圖2 室溫下ZnO/ZnMgO量子阱的光致發光光譜Fig.2 PL spectra of the ZnO/ZnMgO 6 nm-MQWs，3 nm-MQWs and ADQW at room temperature.

如圖2展示的那樣，ADQW樣品的發光峰和6 nm-MQWs樣品的一致，而不同于3 nm-MQW樣品的發光峰，說明在非對稱雙量子阱的光致發光過程中，大多數窄阱中的非平衡載流子沒有在窄阱中復合，而是隧穿到了寬阱中再發生輻射復合。除此之外，ADQW樣品位于373 nm的紫外發射遠強于6 nm-MQWs樣品，也可以有力的證實激子在寬阱中的積累[9-10，12]。

與圖2相對應，圖3為室溫下ZnO/ZnMgO ADQW光致發光過程的能帶示意圖。圖中左側為寬阱(Wide Well)，右側為窄阱(Narrow Well)，兩者間由薄壘層(Thin Barrier)隔開。E1we和E1ne分別對應n=1時寬阱和窄阱電子的子能級。因為阱寬不同導致量子限制作用的差別而使寬阱和窄阱中電子的子能級并不一致。正是由于子能級的不同，窄阱中處于激發態的電子和空穴才產生了向寬阱隧穿的動力。因為激子束縛能較大，所以該非對稱阱中的載流子隧穿以激子方式進行[9-10，12]。

圖3 室溫下ZnO/ZnMgO ADQW光致發光能帶示意圖Fig.3 Band structure of the ADQW

一些相關報道[9-10，12]指出，如果寬阱和窄阱中電子的子能級的能量差等于或大于縱光學聲子能量(ELO，ZnO的ELO約為72 meV)，就可以發生縱光學聲子輔助的快速隧穿過程。并且，這種聲子輔助隧穿過程所需時間小于激子在窄阱中的熒光壽命。換言之，窄阱中激子隧穿到寬阱中的概率大于在窄阱中復合的概率。正因為如此，在非對稱雙量子阱的光致發光過程中，多數窄阱中激子在復合之前就隧穿到了寬阱中再復合發光。

內量子效率(IQE)的定義是發射的光子數空穴對與被吸收的光子數之比。相對應的外量子效率(EQE)，則是發射的光子數與所有入射的光子數之比。由于載流子注入效率和內吸收等均難以確定，所以直接測定內量子效率是非常困難的[11]。通常假定處于30 K以下低溫光泵測試的內量子效率為100%[1]，即忽略低溫下所有的非輻射復合。這樣，內量子效率就可以用室溫和低溫(30 K以下)光致發光積分光強的比值來測定。比方說IQE為I295/I12，其中I295是氧化鋅基量子阱發光在295 K下的積分光強，I12是在12 K下的積分光強。實驗結果如圖4和圖5所示。

由圖4可知6 nm-MQWs樣品的內量子效率大約為8.5%，而從圖5中可知ADQW樣品的內量子效率大約為～13.3%，大概是對稱量子阱的1.56 倍。

圖4 溫度為12 K和295 K時，ZnO/ZnMgO MQWs樣品的PL譜。Fig.4 The 12 K and 295 K PL spectra of the MQWs sample

圖5 溫度為12 K和295 K時，ZnO/ZnMgO ADQW樣品的PL譜Fig.5 The 12 K and 295 K PL spectra of the ADQW

分析圖5可知，在相同的泵浦功率密度下，ADQW樣品的輸出功率大約比6 nm-MQWs樣品高一個數量級，而ADQW樣品的內量子效率僅是6 nm-MQWs樣品的1.56倍。據此可以判斷，ADQW的載流子注入效率也必然存在顯著提升。這一提升得益于激子隧穿產生的注入增強效應。

圖6 非對稱雙量子阱和6 nm對稱阱的時間分辨光譜Fig.6 Time-resolved PL decay curves monitored at the emission peaks of ADQW(blue dotted lines)and 6 nm-MQWs(red dotted lines)

為分析和確認非對稱阱樣品中激子隧穿的微觀動力學過程，我們進行了樣品的時間分辨光譜(Time-resolved-PL)測試。所用儀器是FL920-熒光壽命分光計(FL920-fluorescence Lifetime Spectrometer)。系統的分辨率為 12 ps，使用nF900脈沖激光器作為泵浦源。考慮到隧穿過程[12，18-19]，非對稱雙量子阱中寬阱(6 nm)發光的熒光壽命，應該比6 nm對稱量子阱阱區發光的熒光壽命有所延長。

圖6是6 nm對稱量子阱和非對稱雙量子阱中寬阱(6 nm)的時間分辨光譜。分析此圖可知，非對稱雙量子阱中寬阱(6 nm)的熒光壽命為1.21 ns，比 6 nm 對稱量子阱的熒光壽命(0.89 ns)略長。據此我們確定，窄阱和寬阱之間存在激子隧穿。

4 結 論

相比于對稱量子阱，ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對稱雙量子阱光致發光的內量子效率有顯著提高。時間分辨光譜和光致發光譜測試結果的一致性表明，從窄阱到寬阱的激子隧穿過程是非對稱阱內量子效率提高的主要原因。量子阱在半導體發光、激光器件研究方面具有廣泛應用，非對稱雙量子阱的激子隧穿及其所帶來的降低閾值、提高效率等優勢，無疑會對半導體器件設計起到積極的影響。

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