GaAs 插入層對InGaAs/AlGaAs 量子阱發(fā)光性質的影響

于海鑫，王海珠*，郎天宇，呂明輝，徐睿良，范 杰，鄒永剛

（1.長春理工大學 重慶研究院，重慶 401135；2.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

1 引言

InGaAs/GaAs 多量子阱作為有源區(qū)，已經在激光二極管、光電探測器等各種光電器件中得到了廣泛應用[1-5]。但是，在940 nm 波段的InGaAs/GaAs 量子阱外延生長過程中，還存在GaAs 勢壘層不能良好限制載流子、可能會使載流子發(fā)生逃逸的問題[6-9]。因此，開展針對InGaAs/AlGaAs 多量子阱的研究是十分必要的。使用AlGaAs 材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GaAs 勢壘層是個不錯的選擇。首先，AlGaAs 的晶格常數(shù)和GaAs 相近，但是AlGaAs 的禁帶寬度要遠高于GaAs，對于在900 nm 左右發(fā)光的量子阱，可以起到很好的限制載流子的作用。從制備方法上來說，近年來主要使用金屬有機物化學氣相沉積（Metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）和分子束外延（Molecular beam epitaxy,MBE）的方法生長良好的InGaAs/AlGaAs 多量子阱[10-12]。最近，Zhang 等通過優(yōu)化砷化鎵的厚度，研究了砷化鎵插入層對InGaAs/AlGaAs QWs光學特性的影響[13]。但是，對于MOCVD 生長的InGaAs/AlGaAs 多量子阱仍有許多問題沒有解決。InGaAs 量子阱材料的熱穩(wěn)定性差，需要在低溫下進行沉積，但對于AlGaAs 材料則需要升溫生長以保證Al 原子的正常遷移，這會導致量子阱在生長時候有一個溫度差[14]，溫度越高，In 原子越有可能發(fā)生偏析[15-16]。并且，在InGaAs 和AlGaAs 的界面處可能會生成InAlGaAs 四元合金，影響量子阱的質量和發(fā)光效果。為了減少這兩種因素可能帶來的不利影響，我們在InGaAs/AlGaAs 的界面處引入插入層阻止高溫生長過程中的In 偏析，阻止InAlGaAs 四元合金的形成。對于插入層材料的選擇，基于晶格常數(shù)、禁帶寬度[17]，我們選擇GaAs 作為插入層材料，這是因為GaAs 和襯底材料匹配，不會帶來額外的晶格失配；其次，GaAs 材料的發(fā)光波長在860 nm 附近，對于940 nm 左右的波段是透明的，并不會對阱層產生影響。

本文利用MOCVD 技術在GaAs 襯底上生長了InGaAs/AlGaAs 多量子阱材料，并在量子阱中引入GaAs 插入層阻擋升溫過程的In 偏析和In-GaAlAs 四元合金的形成，并且減小失配，改善量子阱的生長質量和發(fā)光質量。通過變溫光致發(fā)光（Photoluminescence,PL）和變功率PL、X 射線衍射（X-ray diffraction,XRD）、原子力顯微鏡（Atomic force microscope,AFM）測試，驗證引入GaAs 插入層的InGaAs/AlGaAs 多量子阱發(fā)光特性變化和生長質量的改善。本文對研究InGaAs/AlGaAs 多量子阱的發(fā)光性能及輻射復合機制具有重要意義。

2 實 驗

實驗采用德國Aixtron 公司200/4 型MOCVD設備進行InGaAs/AlGaAs 多量子阱的外延生長制備。以三甲基鎵（TMGa）和三甲基銦（TMIn）及三甲基鋁（TMAl）作為Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作為Ⅴ族源，高純氫氣（H2）作為Ⅲ族源的載氣。生長時反應腔室壓力維持在10 kPa（100 mbar），且在富Ⅴ族氣體的氛圍下進行。

圖1 給出了帶GaAs 插入層和不帶GaAs 插入層的InGaAs/AlGaAs 多量子阱的生長結構示意圖，從圖中可以看出，InGaAs/AlGaAs 多量子阱結構生長在N 型無偏角的GaAs（100）襯底和緩沖層上。在生長前，對襯底在650 ℃的溫度下進行5 min 的退火處理，以去除表面氧化物。之后生長300 nm 厚的GaAs 緩沖層，隨后將溫度升高到680 ℃生長AlGaAs 勢壘層，然后將溫度降低到600 ℃生長InGaAs 勢阱層，再升高溫度到680 ℃生長AlGaAs 勢壘層，生長三個周期的量子阱結構。其中，每個量子阱結構包括6 nm 厚的In0.17Ga0.83As 量子阱層和8 nm 厚的Al0.3Ga0.7As 勢壘層，兩者的生長速率分別為0.507 μm/h 和0.58μm/h。最后，生長120 nm 厚的GaAs 蓋層以保護量子阱，此為A 樣品。作為對比，設計生長6 nm的GaAs 插入層，在生長完AlGaAs 勢壘層之后生長6 nm 的GaAs 插入層，然后降溫到600 ℃生長InGaAs 阱層和GaAs 插入層，最后升溫生長8 nm AlGaAs 勢壘層和GaAs 插入層。生長三個周期量子阱，并生長120 nm 的GaAs 蓋層，作為樣品B。生長結束后在AsH3氣體的保護下，將反應室溫度降至室溫，以便后續(xù)測試表征。

圖1 InGaAs/AlGaAs 多量子阱結構示意圖Fig.1 Schematic structure of InGaAs/AlGaAs MQWs

本文生長獲得的量子阱材料的變溫及變功率PL 由HORIBA iHR550 光譜儀完成，選用InGaAs探測器，激發(fā)光源是波長為447 nm 連續(xù)輸出的半導體激光器，光斑直徑為0.4 cm。樣品放置在液氦制冷臺上，用帶有CaF2窗口鏡片的真空罩保護。變溫PL 測試的溫度調節(jié)范圍為20～300 K，功率密度維持在150 mW/cm2；變功率PL 測試的功率密度調節(jié)范圍為10～70 mW/cm2，溫度維持在20 K。

3 結果與討論

首先，我們先對沒有GaAs 插入層的樣品A 進行光致發(fā)光測試，結果發(fā)現(xiàn)A 樣品在室溫下不發(fā)光，如圖2 所示。而樣品A 變溫PL 測試顯示，其在低溫下發(fā)光，并隨著溫度升高，樣品發(fā)光質量變差，直到完全消失，如圖3 所示。為了探究樣品A在低溫下的發(fā)光性質，對我們A 樣品進行低溫20 K 條件下變功率測試，功率密度為10～70 mW/cm2，并對測試結果進行了擬合曲線分析，結果如圖4 和圖5 所示。

圖2 A 和B 樣品的室溫PL 測試Fig.2 PL spectra of two samples at room temperature

圖3 樣品A 的變溫PL 測試結果Fig.3 Temperature-dependent PL results of sample A

圖4 A 樣品的變功率PL 測試圖Fig.4 Excitation power-dependent PL results of sample A

圖5 樣品A 在不同激發(fā)功率下的積分強度Fig.5 The integral strength of sample A under different excitation power

針對變功率PL 的積分強度與功率密度建立對應關系，積分強度與激發(fā)功率的關系如下所示：

其中I為PL 積分強度，β為輻射效率，I0為激發(fā)功率密度，a為特征值。經過擬合得出樣品A 在20 K 溫度下的a=1.22（a＞1），推斷為自由激子輻射復合發(fā)光。對于樣品A，在低溫下的發(fā)光機制為自由激子復合發(fā)光，但是隨著溫度升高發(fā)光質量變差直到光強完全消失。隨著溫度降低發(fā)光強度增大的原因是低溫下能夠抑制非輻射通道的散射，導致了更多的能量被轉移到輻射通道中，增強了輻射復合的發(fā)生，增加了發(fā)光效率。隨著溫度的升高發(fā)光強度減小直到消失的原因是載流子發(fā)生了熱逃逸，隨著溫度進一步升高，環(huán)境溫度能量大于激子結合能，使自由激子解離，抑制了輻射復合的產生，這也導致自由激子復合峰的強度降低，直至完全消失。

接下來，我們又對樣品B 進行室溫PL 測試，結果如圖2 所示。隨著GaAs 插入層的引入，In-GaAs/AlGaAs 多量子阱發(fā)光有了明顯改善。對于GaAs 插入層的引入改善了InGaAs/AlGaAs 多量子阱的發(fā)光情況，可能有以下幾點原因：（1）GaAs 插入層的引入分離了阱層InGaAs 和壘層AlGaAs，減少了阱層和壘層界面處InAlGaAs 四元化合物的形成，減少了非輻射復合的形成，進而改善了PL的發(fā)光質量。（2）抑制阱層InGaAs 的偏析：在樣品A 升溫到680 ℃生長AlGaAs 勢壘層時，升溫表面為InGaAs 層，從600 ℃升溫到680 ℃需要幾分鐘，會使表面的InGaAs 發(fā)生In 的偏析，從而降低InGaAs 的生長質量，進而導致樣品發(fā)光不理想。而加入GaAs 插入層的樣品B 在生長AlGaAs 時升溫表面是GaAs 層，抑制了阱層InGaAs 的偏析，并起到限制與保護阱層In 原子的作用，提高了阱層InGaAs 的生長質量，從而改善了量子阱的發(fā)光質量。（3）改善載流子輸運：加入GaAs 插入層可以改善載流子的輸運過程。這是因為GaAs 和Al-GaAs 具有相似的晶格常數(shù)和晶體結構，插入層可以縮小應變差異并平滑材料界面，從而減少載流子的散射和復合。這將提高載流子的遷移率和激子壽命，從而增強PL 強度。（4）調整能帶結構：插入層可以調整InGaAs/AlGaAs 多量子阱的能帶結構。由于InGaAs 和AlGaAs 的晶格常數(shù)不同，多量子阱內部也存在應變，從而使能帶位置發(fā)生變化。引入插入層可以緩解這種應變，進而影響載流子的能級分布和激子能級位置，從而改變PL峰的峰位和強度。（5）減少缺陷密度：加入GaAs插入層可以減少材料中的缺陷密度。多量子阱的界面和結構是材料中缺陷的主要來源之一。我們認為起主導作用的原因是插入層可以平滑多量子阱，從而減少位錯和其他缺陷，提高量子阱生長質量，進而提高載流子的壽命并增強PL 強度。

為了繼續(xù)探究GaAs 插入層的引入對量子阱界面生長質量的影響，我們對兩個樣品進行了XRD 測試分析，結果如圖6 所示。生長的兩個樣品的衍射圖均表現(xiàn)出明顯的周期性衍射峰，表明其周期性結構和高結晶質量。對比引入GaAs 插入層的B 樣品和沒有引入GaAs 插入層的樣品A，XRD 測試結果的衛(wèi)星峰有明顯的增加，表明在引入GaAs 插入層之后，量子阱的生長質量有明顯改善[18-20]。這充分說明擁有GaAs 插入層的樣品B 的結晶質量要遠遠好于樣品A，也可以進一步說明引入GaAs 插入層改善了InGaAs/AlGaAs 多量子阱的生長質量，從而改善了發(fā)光情況。

圖6 樣品A 和B 的XRD 測試結果Fig.6 XRD results of A and B samples

為了繼續(xù)探究GaAs 插入層的引入對量子阱生長質量的影響，我們對兩個樣品進行了AFM 測試分析，樣品的表面粗糙度（Roughness measurement of the surface,RMS）結果如圖7 所示。樣品A的RMS=0.467 nm，樣品B 的RMS=0.269 nm，說明GaAs 插入層的引入可以降低樣品表面粗糙度，進一步表明GaAs 插入層的引入可以提高多量子阱的生長質量，進而影響量子阱發(fā)光性能。

圖7 樣品A 和B 的AFM 測試結果Fig.7 AFM results of A and B samples

為了進一步探究GaAs 插入層的引入對發(fā)光性能的影響，我們又對樣品B 進行了變溫PL 測試，測試結果如圖8 所示。可以發(fā)現(xiàn)在低溫下隨著溫度升高，樣品B 的發(fā)光波長有些異常變化。為了更加直觀地看到隨著溫度升高波長的變化情況，我們又做了溫度與波長和半峰寬（Full wave at half maximum，F(xiàn)WHM）的關系圖，如圖9 所示。從圖中可以看到，隨著溫度從20 K 升高到60 K，波長出現(xiàn)先紅移再藍移的現(xiàn)象，推測出現(xiàn)這種“S”型變化可能是InGaAs/AlGaAs 多量子阱內部“局域態(tài)”發(fā)光導致。為了驗證樣品B 中可能出現(xiàn)“局域態(tài)”的猜想，我們又對樣品B 在低溫20 K 下進行了變功率實驗，功率密度仍然為10～70 mW/cm2，結果如圖10 所示。利用圖9 中的數(shù)據(jù)，我們進行了擬合分析，曲線如圖11 所示。結果發(fā)現(xiàn)擬合曲線得到a=0.88（a＜1）,進而得出樣品B 在低溫下為缺陷導致發(fā)光，由此推測低溫狀態(tài)下的異常’S’型波長變化為“局域態(tài)”導致的發(fā)光[21-22]。

圖8 樣品B 的變溫PL 測試結果Fig.8 Temperature-dependent PL results of sample B

圖9 樣品B 溫度相關的峰值位置和溫度相關的FWHMFig.9 Sample B temperature-dependent peak position and temperature dependent FWHM

圖10 B 樣品的變功率PL 測試圖Fig.10 Excitation power-dependent PL results of sample B

圖11 樣品B 在不同激發(fā)功率下的積分強度Fig.11 The integral strength of sample B under different excitation power

對于引入了GaAs 插入層的樣品B 出現(xiàn)“局域態(tài)”的現(xiàn)象，我們推測是因為與阱層InGaAs 接觸的AlGaAs 層，相較于GaAs 層，更不容易與In 原子互換，也就是說InGaAs 的In 原子更容易偏析進入GaAs 層，從而導致局部In 原子的數(shù)量下降，故而加入了GaAs 插入層的樣品B 會出現(xiàn)“局域態(tài)”現(xiàn)象。

4 結論

本文通過MOCVD 設備生長了三周期的In-GaAs/AlGaAs 多量子阱材料。首先通過室溫PL和變溫PL 測試發(fā)現(xiàn)，沒有加入GaAs 插入層的樣品在室溫下不發(fā)光，在低溫下發(fā)光正常并且a＞1,為自由激子發(fā)光。推測是低溫下能夠抑制非輻射復合的產生，隨著溫度升高，載流子發(fā)生了熱逃逸，發(fā)光質量逐漸變差。而引入GaAs 插入層的樣品在低溫和室溫下都正常發(fā)光，但是在低溫時隨著溫度升高，波長有“S”型變化，并且低溫20 K 時變功率測試a＜1,推測為引入GaAs 層的樣品量子阱內部出現(xiàn)“局域態(tài)”，是因為In 原子更容易偏析進入GaAs 層之中，進而導致了阱層In-GaAs 形成In 原子密度不同的區(qū)域。后續(xù)又進行XRD 和AFM 測試，發(fā)現(xiàn)引入GaAs 插入層的樣品衍射峰的數(shù)量明顯多于沒有插入層的樣品，并且樣品表面粗糙度也有明顯的下降，表明GaAs 插入層的引入改善了多量子阱的結晶質量，導致樣品B 發(fā)光質量好于樣品A；但是同時也會引入“局域態(tài)”，給量子阱的發(fā)光性質帶來變化。本研究可以加深對InGaAs/AlGaAs 多量子阱輻射復合機制的理解，對引入GaAs 插入層的InGaAs/AlGaAs多量子阱發(fā)光性質的研究具有重要意義。

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