電子束泵浦氧化鋅基量子阱的斯塔克效應

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

電子束泵浦的寬帶隙半導體異質結構器件，諸如鋁氮基的量子阱和硒化鋅基量子阱結構，是小型化紫外發光、激光器件的理想候選材料［1-2］。氧化鋅是一種典型的寬禁帶半導體，高達60 meV的激子結合能［1］使其在室溫下具有很高的發光效率。二戰后，憑借作為第一代陰極射線熒光管的熒光粉的出眾表現，氧化鋅步入固體發光材料研究視野。氧化鋅粉末隨機激光的報道使其研究在最近十余年達到新的研究高潮。無疑，氧化鋅是實現穩定高效電子束泵浦器件的理想選擇之一。在設計實現具有一定輸出波長的電子束泵浦器件時，對外界條件改變導致的峰位移動必須予以足夠重視和全面考慮，特別是在依據超輻射峰位設計諧振腔時更應如此。除了溫度因素和自吸收之外，不同注入條件下量子限域斯塔克效應引起發光紅移是量子阱器件必須考慮的因素［3-6］。

多數已報道的電子束泵浦紫外發光器件的電子束流都是50 μA 量級的較小束流［1-2，7-8］。可用的小型化紫外光源必然有大束流下高效、穩定工作的要求。在電流注入的量子阱器件中，大注入下較易出現量子限域斯塔克效應。雖然在電子束泵浦情況下尚無量子限域斯塔克效應的報道，但一般情況下大束流輻照易于形成表面電荷積累，有可能產生強的電場繼而引發量子限域斯塔克效應。本研究在大束流(92 mA)電子束泵浦下觀測到量子阱發光峰紅移，排除了自吸收的影響，證實了量子限域斯塔克效應在電子束泵浦條件下的存在。該結果對設計電子束泵浦激光器件具有一定的參考作用。

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(Symmetric multi-quantum wells，SMQW)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，以純度分別為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［6-8］。

SMQW 樣品包括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 單元以及位于量子阱層上的50 nm 厚的Zn0.85Mg0.15O 蓋層(Cap layer)。

對于ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對稱雙量子阱，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。它的特點是每個周期內都具有寬阱和窄阱，中間是隧穿勢壘，每兩個周期之間用較厚的阻斷層隔開樣品。小束流電子束泵浦的熒光光譜測試采用Mono CL4 光譜儀，配有300 mm Czerny-Turner 單色儀，儀器分辨率為1.0 nm。大束流泵浦測試是在高真空(＜1.33 ×10－6Pa)腔體中進行的，利用F-7000 分光光度計進行光譜采集。所有測試工作均在室溫下進行，固定樣品的熱沉可以有效地保證散熱。

3 結果與討論

圖1 (a)VA=6 kV，小束流泵浦下ADQW 樣品的CL 譜和ADQW 結構簡圖;(b)VA=2.5 kV，小束流泵浦下ADQW 的CL 譜。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.

圖1(a)為加速電壓VA=6 kV 時小束流(285 μA)電子束泵浦下非對稱雙量子阱的熒光光譜。從CL 光譜圖可以發現，除了來自阱區的373 nm發光峰之外，沒有檢測到任何其他能量的發光，說明所制得的量子阱層具有低的缺陷密度。圖1(b)為VA=2.5 kV 時小束流(285 μA)電子束泵浦下樣品的熒光(PL)光譜。位于367 nm 和373 nm 的兩個發光峰分別對應來源于窄阱(3-nmwide well)和寬阱(6-nm-wide well)的發光。

依據Kanaya-Okayama 電子穿透深度公式，可以利用CASINO V2.42 軟件對電子束在樣品中的穿透深度和加速電壓之間的關系進行Monte Carlo模擬［12-13］。設定加速電壓為1.5 kV 的情況下，Monte Carlo 模擬的結果如圖2(a)所示。此時，大部分電子束的能量都被樣品表面以下50 nm 的薄層，也就是被MgZnO 蓋層吸收殆盡。因此，1.5 kV 的低壓不足以激發量子阱樣品。當加速電壓升高到2.5 kV 時，電子束的穿透深度已經深入阱區，如圖2(b)所示。當加速電壓提升到5 kV 時，電子束已經可以到達MgZnO 緩沖層(Buffer layer)，電子束95%的能量被樣品的阱層吸收。

圖2 不同加速電壓下電子束能量射入ADQW 樣品的橫斷面模擬圖。(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。

圖3 給出了保持束流為285 μA 不變，CL 光譜和相應的輸出功率隨加速電壓的變化情況。在加速電壓達到2.5 kV 時，依據圖2(b)可知電子束的穿透深度已經進入阱區，該電壓激發下寬阱和窄阱的發光都可以觀察到，如圖1(b)所示。加速電壓達到5 kV 時，電子束泵浦的熒光光譜中位于367 nm 的窄阱發光消失，只有峰位在373 nm處的源自寬阱的發光峰。這說明大部分窄阱中的激子隧穿到了寬阱中［14］。

圖3 小束流不同電壓下ADQW 樣品的CL 譜(a)和相應的輸出功率變化(b)Fig.3 CL spectra (a)and output power (b)as functions of VAunder irradiated current 285 μA

圖4 所示為大束流(92 mA)電子束泵浦下非對稱雙量子阱樣品在不同加速電壓下測得的光譜，加速電壓由1.5 kV 間隔0.5 kV 逐漸增加到主流商用平板顯示器的電子束源加速電壓的上限，即5.0 kV。光譜中只出現一個384 nm 發光峰。此外，無論是大束流還是小束流激勵下的光譜，樣品的發光峰位都沒有隨加速電壓的升高而移動，只是光譜強度隨加速電壓的增加而增大。

圖4 大束流不同電壓下ADQW 樣品的CL 譜(a)和相應的輸出功率變化(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.

在加速電壓達到和超過4.0 kV 的情況下，阱區基本已被充分激發。對比圖1(b)和圖3 中的寬阱發光峰位，大束流泵浦下的發光峰相對于小束流下產生了大約11 nm 的紅移。在測試的全過程中，樣品散熱良好，排除了該紅移來自溫升的可能。自吸收(Internal absorption)也會造成CL 發光紅移，但自吸收導致的紅移，其CL 發光峰會隨加速電壓的升高單調紅移［12-13］。而圖4 和圖3 所展示的結果中，ADQW 寬阱的發光峰位幾乎不隨加速電壓的升高而發生移動。所以，此處11 nm的紅移只能是由量子限域斯塔克效應而產生的。

圖5 ADQW 的量子限域斯塔克效應能帶圖Fig.5 Sketch of the energy band of ADQW under electric field induced by charge accumulated on the quantum well surface

一般情況下，c 軸取向ZnO 的自發極化和壓電極化產生的內電場可以導致量子限域斯塔克效應［4-6］。截至目前，有關ZnO/ZnxMg1－xO 量子阱的量子限域斯塔克效應的報道多局限于光泵和電流注入發光方面［4-6］。在氧化鋅基量子阱結構中，由表面電荷積累產生電場導致量子限域斯塔克效應的現象還未見報道。一般地，除了束流充分小和樣品表面電導率極高的特殊情況外，電子束泵浦固體樣品時都會形成一定程度的表面電荷積累從而產生電場。如果這一電場的強度較大，足以使非對稱雙量子阱樣品的能帶產生明顯的傾斜，從而使有效帶隙窄化，導致激子復合能量降低。圖5 是忽略自發極化和壓電極化情況下的能帶示意圖，其中左側向下的藍色箭頭指示的是受到量子限域斯塔克效應影響的輻射復合過程。根據公式(ΔE/e)/d，其中ΔE、e 和d 分別是發光峰能量降低的大小、電子電量和發光峰位對應的阱寬，可以由紅移對應的發光能量降低來估算電荷積累導致的內電場約為1.6 ×105V·cm－1。

4 結 論

綜上所述，我們研究了一系列加速電壓下，電子束泵浦的ZnO/Zn0.85Mg0.15O 非對稱雙量子阱在大束流和小束流下的室溫CL 譜。相對于小束流(285 μA)泵浦的情況，大束流(92 mA)下的發光峰發生了11 nm 的紅移。紅移的原因是表面電荷積累引起的量子限域斯塔克效應使量子阱的有效帶隙窄化。估算內電場大約為1.6 ×105V·cm－1。因此，在設計制備電子束泵浦的半導體發光器件過程中，特別是大束流電子束泵浦的情況，量子限域斯塔克效應是必須考慮的因素。

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