（光学专业论文）znomgzno单量子阱的能带重整化研究.pdf

z n o m g z n o 单量子阱的能带重整化研究 论文题目：z n o l v l g z n o 单量子阱的能带重整化研究 专业：光学 硕( 博) 士生：硕士 指导教师：丘志仁 摘要 主要研究了微纳结构的半导体材料z n o m g z n o 单量子阱的光学性质，尤其是 量子阱在强光激发下的室温光致发光谱随激发强度和阱宽的变化情况，并从中囊 括出其能带重整化与激发光强度以及阱宽的关系，填补了人们对阱宽在2 倍激子 波尔半径( a 8 ) 左右的z n o 单量子阱微纳结构在强光激发下的能带重整化研究的 空白。这些研究成果对于z n o 基半导体微纳光电器件的研发具一定的参考意义。 本研究采用皮秒量级( 2 5p s ) 的脉冲激光激发样品，在室温下采用多色仪对 样品的辐射光进行测量。在激发光强度足够强时，样品的载流子浓度超过了m o t t 浓度，其发光峰的能量位置随着激发强度的增大而出现连续的红移，得出电子空 穴等离子体辐射的能量与载流子浓度的关系。 在同一量子阱的不同阱宽处，通过分析时间积分光谱的峰值位置与激发光源 的能量密度以及势阱宽度的关系，发现阱宽越大，其p l 谱的红移也越大，然而 红移量对阱宽的斜率却逐渐减小，当阱宽大于z n o 体材料的2 仅8 时，红移量随阱 宽增大逐渐呈现出饱和的趋势。这些现象揭示了量子阱的二维局域作用，阱宽越 小，局域作用越强，电子空穴的波函数受到更大的压缩，相应地能带重整化受到 的影响也越大，相反的，阱宽越大，局域作用就越弱；当阱宽在2 仅b 左右时，量 子阱的局域作用正好处于强弱的临界点，故其能带重整化在阱宽大于2 倍激子波 尔半径左右的时候就逐渐呈现出饱和的趋势。 另外，通过对不同阱宽处的p l 谱随激发强度的变化规律进行仔细的分析发 现，在阱宽较小处，当激发强度逐渐增大时，其p l 谱的峰位先向低能侧移动， 继而向高能侧移动，呈现一个s 形的变化规律。由于z n o 材料在制备过程中很容 易因为各种因素造成的氧空位缺陷或氢等其他元素的掺杂，形成n 型z n o 材料， | i i z n o i v l g z n o 单量了阱的能带蕈整化研究 故在分析其能带重整化的过程中除了要考虑电子空穴的多体效应带来的能隙收 缩外，还必须合理的计算n 型材料在高载流子浓度下的b u r s t e i n - m o s s 效应导致 的能隙展宽。在载流子浓度超过m o t t 浓度而还未达到很高的浓度时，电子空穴 的多体效应起主导作用，这时能隙的收缩随着激发强度的增大而出现连续的增 大，具体情况是能隙收缩与载流子浓度的三次方根成j 下比关系；当载流子浓度远 超过m o t t 浓度时，b u r s t e i n - m o s s 效应逐渐起主导作用，故量子阱p l 谱的峰位 随着激发强度的增大开始向高能侧移动。同时考虑这两种影响能带重整化的影响 因素后对实验数据进行拟合，发现拟合结果与实验数据很好的符合，进一步说明 了能带重整化是由电子空穴的多体效应以及b u r s t e i n - m o s s 效应这两种机理相 互竞争作用的结果。 关键词：量子阱；能带重整化；多体效应；b u r s t e i n - m o s s 效应 i v z n o m 【g z n 0 单量子阱的能带重整化研究 t i t l e ：b a n dg a pr e n o r m a l i z a t i o no fz n o m g z n os i n g l e q u a n t u mw e l l s m a jo r ：o p t i c s n a m e ：l ix i a o l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i uz h i r e n a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fn a n o m e t e rs c a l es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l z n o m g z n os i n g l eq u a n t u mw e l l s ( q w s ) w e r em a i n l ys t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h e r e l a t i o nb e t w e e nr o o m - t e m p e r a t u r ep h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) a n dh i g h l ye x c i t a t i o n d e n s i t ya n dt h ew i d t ho fq w ( l ，) a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，w eo b t a i n e dt h er e l a t i o n b e t w e e nb a n dg a pr e n o r m a l i z a t i o na n de x c i t a t i o nd e n s i t ya n dk t h i sr e l a t i o nw a s f i r s ti n v e s t i g a t e di nz n o s i n g l eq ww i t hl ，a b o u t2 a e ( a b ，t h eb o h rr a d i u so fz n o b u l k ，a b o u t1 8 2 0n m ) ，a n di su s e f u li nd e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o no fz n ob a s e d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s u s i n g t h e f r e q u e n c y - q u a d r u p l e do u t p u t ( w a v e l e n g t h 九= 3 2 0n l n ) w i mt h e2 5p sp u l s ed u r a t i o no f a no p t i c a lp a r a m e t e ra m p l i f i e rl a s e ra sp u m pr e s o u r c ea n dp o l y c h r o m a t o ra sr e c o r d e r w h e nt h ec a r t i e rd e n s i t yi sh i g h e rt h a nt h e “m o t td e n s i t y ”，t h ew a v e l e n g t ho ft h e e m i s s i o nd i s p l a y sc o n t i n u o u s l yr e d s h i f f f r o mt h i sp h e n o m e n o n ，w ec o n c l u d e dt h e r e l a t i o nb e t w e e nc a r r i e rd e n s i t ya n dp h o t o ne n e r g yf r o ms t i m u l a t e de m i s s i o no f e l e c t r o n h o l ep l a s m a ( e h p ) w ef o u n dt h a tt h er e d s h i f tm a g n i t u d eo fp ls p e c t r aw a sn e a r l yp r o p o r t i o n a lt ok a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt i m e i n t e g r a t e dp lp e a ka n de x c i t a t i o nd e n s i t y , b u tt h ei n c r e a s i n gs l o p eb e c a m es m a l l e rw h e nw a sl wl a r g e r , e s p e c i a l l yt h er e d s h i f t h a dt h et r e n dt ob es a t u r a t e dw h e n 厶pw a sl a r g e rt h a n2 a s t h e s ep h e n o m e n a d i s p l a y e st h e2 - d i m e n s i o n a lq u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t ：q u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t v z n o m f g z n o 单量了阱的能带重整化研究 i ss t r o n g e rw i t hs m a l l e rl w ，a n dt h ee n v e l o pw a v ef u n c t i o n so fe l e c t r o na n dh o l eh a v e al a r g e rc o m p r e s se f f e c t ，n a t u r a l l y , al a r g e re f f e c to nt h eb a n dg a pr e n o r m a l i z a t i o n ； 2 a si st h ec r i t i c a lw i d t hf o rt h eq u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t ，a n dw h e nl ，i sl a r g e r t h a n2 a s ，t h eq u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c tb e c o m e sw e a k ，s ot h eb a n dg a pr e d u c t i o n h a sat r e n dt ob es a t u r a t e d m o r eo v e lt h es h i f to fp lp e a kd i s p l a y sa s s h a p ew i t hi n c r e a s i n ge x c i t a t i o n i n t e n s i t y ：f i r s ti tm o v e st ol o we n e r g ys i d ea n dt h e ng o e st ot h eo p p o s i t ed i r e c t i o n ： h i 曲e n e r g ys i d e ，b e c a u s eo ft h eb a n dg a pr e d u c t i o nd u et om a n yb o d ye f f e c ta n dt h e b a n dg a pb r o a d e nd u et ob u r s t e i n - m o s se f f e c ti nh i g h l ye x c i t a t i o nd e n s i t y z n oi s n a t u r a l l yant y p em a t e r i a lb e c a u s eo fo x y g e nv a c u u md u r i n gp r e p a r a t i o no re a s i l y d o p i n go fo t h e re l e m e n ts u c ha sh y d r o g e n s ot h eb u r s t e i n - m o s se f f e c ti si m p o r t a n t t ot h eb a n dg a pr e n o r m a l i z a t i o ni n h i g h l ye x c i t a t i o nd e n s i t y w h e nt h ec a r t i e r c o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a nt h e m o t td e n s i t y b u ti sn o tt o oh i g he n o u g hf o rt h e b u r s t e i n m o s se f f e c t ，m a n yb o d ye f f e c to fe h pi sd o m i n a n ta n dt h eb a n dg a p r e d u c t i o ni sp r o p o r t i o n a lt ot h ee x c i t a t i o ni n t e n s i t y ；w h e nt h ec a r r i e rc o n c e n t r a t i o ni s m u c hh i g h e rt h a nt h e “m o t td e n s i t y ”，b u r s t e i n - m o s se f f e c tb e c o m e si m p o r t a n ts t e pb y s t e p ，s ot h ep lp e a km o v e st o w a r d st h eh i g he n e r g yd i r e c t i o n p e r f e c ta g r e e m e n t b e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o nw a so b t a i n e da f t e rt a k i n gi n t oa c c o u n t t h em a n yb o d ye f f e c ta n dt h eb u r s t e i n m o s se f f e c t i ti se v i d e n c et h a tb a n dg a p r e n o r m a l i z a t i o ni st h ec o m p e t i t i o nr e s u l t so ft h e s et w oe f f e c t s k e yw o r d s ：q u a n t u mw e l l ；b a n dg a pr e n o r m a l i z a t i o n ；m a n yb o d ye f f e c t ； b u r s t e i n m o s se 仃i e c t v i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苍小右 日期：2 缈7 年。占月? 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：移如妨导师签名：彦韧二 日期：z 矿矿7 年乙月乎日日期：z 肜7 年z 月7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：谚卟龙 日期：i 口口9 善il 闷名目 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 纳米技术的发展与日益成熟，对半导体科学的发展以及人类社会的进步起着 重要的作用。随着信息技术的飞速发展，以光电子和微电子为主要基础的通讯和 网络技术已成为数字化时代的高新技术核心。目前半导体激光器的泵浦源多采用 电注入方式，具有体积小、容易调制等优点，它作为信息技术的关键部件之一使 得光纤通讯得以普及，而且还导致以光盘为主导的信息存储技术和复印技术得以 不断的更新换代。众所周知，光盘的信息存储密度反比于刻录的激光波长，因此， 为提高光信息的存储密度，应使用短波长的激光器。在微型化和集成化的时代， 短波长激光二极管( l d ) 、激光器以及相关器件的逐渐商业化，信息领域中的纳 米半导体激光器的研究成为一个热点。 1 2 研究背景与意义 最早在国际上引起高度重视的是1 9 9 1 年问世的z n s e 异质结量子阱蓝绿激 光器l l 吲。但z n s e 是一种强离子型晶体，其激子结合能在3 0m e v 左右，与室温 下的热能2 6m e v 相当，易因温度升高而造成器件工作的不稳定以及老化【4 1 。 z n s e 基激光二极管的寿命通常不到1 0 0 小时【5 】。另外，由于z n s e 的禁带宽度为 2 8e v ，输出的波长还不是紫外波段【6 】。对于紫外激光器件，发射的光子是由带 内的电子和空穴的复合辐射的，其输出的波长可以粗略的由导带电子以及价带空 穴的能级差来决定，a = 巨加木c ，乓是材料的禁带宽度，h 是普朗克常数，c 是光 第一章绪论 速。所以，如果要获得紫外波段的激光发射，材料的带隙必须大于3 1e v ，并且 光子的发射过程为直接带隙跃迁，因为在间接带隙半导体中，声子的参与作用会 大大增加激发阈值。 由于g a n 有着宽带隙( 3 4 4e v ) 并且带隙的大小介于i n n ( 0 7e v ) 以及 a l n ( 6 2e v ) ，g a n 和它的合金( i n x a l v g a l x y n ) 成为紫外光电器件的主测7 1 。 1 9 9 0 年攻克了p 型掺杂后，在提高g a n 薄膜的质量和器件的应用上投入了大量 的工作和研究【8 ，9 1 。2 0 0 5 年，由中科院半导体所以及中科光电有限公司共同承担 的国家“8 6 3 计划光电子材料与器件主题项目“g a n 基激光器 获得了重大突 破，攻克了g a n 基激光器研究中的材料生长、器件工艺以及器件测试等一系列 技术难题，进入世界同行的先进行列。目前，世界各国的科学家研发的焦点和重 点在发光强度、器件成本、室温下稳定工作等一系列技术难题上，g a n 基激光 器成为了g a n 基光电子材料与器件领域的标志性研究方向。但是g a n 薄膜的生 长缺少合适的衬底材料，需要昂贵的设备和很高的生长温度( 1 0 0 0 一1 2 0 0 摄氏 度) d o 】。而z n o 是继g a n 以后出现的第三代宽带隙半导体，与g a n 相比，它 具有很多方面的优点：更高的熔点和激子束缚能、激子增益也更高、容易找到与 之晶格匹配的衬底材料、外延生长温度底、成本底、生物兼容性、容易刻蚀等。 1 3z n o 以及m g z n o 合金的物理性质与研究进展 1 3 1 z n o 的基本性质 z n o 是一种具有压电特性和光电特性的直接带隙的宽禁带半导体材料，室温 下的带隙达3 3 7e v t u 】，并且如果与m g o 构成m g z n o 合金，其带隙还会大大 的增加。因此其在紫外光波段具有很大的应用潜力。在一般的环境条件下，z n o 的热力学稳定相为六角纤锌矿结构( w u r t z i t e ) ，空间群为c 6 v 4 ( p 6 3 m e ) ，这种结 构的原子排列方式为每个氧原子被4 个锌原子包围，而每个锌原子被4 个氧原子 包围着，形成一个正四面体结构，即配位数为4 ：4 ，并且氧原子和锌原子组成 双原子层以a b a b a 的六角密堆方式排列，沿着c 轴具有较强的极性。图1 1 所 示为六角纤锌矿单胞的示意图。晶格常数为a = 0 3 2 4 9n l n ，e = 0 5 2 0 6n m 坦j 。 2 第一章绪论 ， ， i争r 基 浏 缀蟹熏 江黼门戮毽： 图】- 2 ，z n o 的各种纳米形貌。( a h o 分别为纳米线，纳沫四脚，纳米螺旋桨，纳米 棒，纳米弹簧，纳米线上的茸子阱 z n o 具有丰富的结构形态，包括单晶、薄膜、粉末和纳米结构等。不同形态 的z n o 材料具有各自特殊的性能和应用价值。z n o 单晶是制备z n o 基发光器件 的重要衬底材料。目前生长z n o 体单晶的方法主要有水热法1 ”、气相传 输法”】、压力镕体法【1 8 i 等。z n o 薄膜是将来实现z n o 发光器件应用的重要 基础材料t 特别是高空穴浓度、高迁移率和稳定的p 型z n o 薄膜的可重复实现 是一直以来人们的研究焦点。低电阻率的n 型和p 型z n o 薄膜同时是良好的透 明导电材料，可以用来做透明电极。近年来人们制备出的z n o 的纳米结构呈现 出丰富多彩的几何构型，如：纳米线1 1 9 - 2 2 1 、纳米棒 2 3 2 4 i 、纳米带o ”、纳米管【“i 、 第一章绪论 纳米环【2 刀、量子阱【2 引、纳米四脚【2 9 】、量子点【3 0 1 、纳米弹刮3 1 1 、纳米螺旋桨f 3 2 】 等，并且各自的性能有很大的差异，因此z n o 纳米结构成为z n o 课题研究的热 点之一。目前z n o 薄膜的研究主要有国内的中科院长春光学精密机械与物理研 究所等；z n o 纳米线的研究团队主要有z h o n gl w a n g 3 3 1 和p e i d o n g y a n g 3 4 】等； 在量子阱的基础研究方面，韩国的s h p a r k 小组的工作比较出色。 在光学性能方面，z n o 的受激发射阈值低，光学增益高。与其他宽带隙半导 体相比，z n o 的主要特征是具有很大的激子结合能( 6 0m e v ) ，比z n s e ( 3 0m e v ) 和g a n ( 2 5m e v ) 的激子结合能大很多，也大大超过室温下的热能( 2 6m e v ) ， 因此z n o 在室温下可以有着很高的激子密度，而激子一激子碰撞会有效的降低 激光器件的受激发射阈值。因为对于宽带隙半导体，在不同的激发密度下发射机 制是明显不同的。一般说来，在低激发密度时，z n o 的发光以自发辐射为主。自 发辐射可以来自于自由激子( f e ) 或者中性施主束缚激子( d o x ) ，至于是何种 激子发射，要根据具体情况而定。多数情况下，在低激发密度以及低于1 5 0k 左 右的温度以下时，主要是以d o x 发射为主；当温度高于1 5 0k 时，f e 发射逐渐 占主导地位。此时发光强度与激发密度成一斜率很小的线性关系，寿命在数百皮 秒到纳秒。而在中等激发密度下主要以为f e 为主，发光峰的强度会随着激发密 度的增加而超线性的增加，其斜率比低激发密度的情况下要大。在中等密度激发 下会出现下面四种情况：l 、两个激子相互碰撞引起的发射( p 带) 或者激子与 声子的碰撞而形成的声子伴线。相互碰撞的两个激子，其中一个激子获得能量被 散射到激发态而另一个辐射复合，其发射能量比自由激子发射最多低大约一个激 子束缚能，可以用下式表示 e = 吃一吃( 1 1 n 2 ) - 3 k t 2 ( 1 - 1 ) 其中，n = 2 ，3 ，k 是玻尔兹曼常数，堤热力学温度，硪= 6 0m e v 是激子结 合能。因此p 带可以细分为p l 、p 2 p 。子带。；2 、自由激子与载流子( 电子) 的非弹性碰撞。在能量和动量守恒的条件下，碰撞过程使得自由激子通过辐射复 合发光，而被散射的自由载流子有着更多的动能。此过程使得发光能量降低，并 随激发密度增大而发生红移；3 、有两对电子和空穴相互束缚的双激子发射( 激 子分子，m 带) ，它的发射能量要比自由激子发射低大约1 5m e v 3 5 1 ，体系发射出 一个光子后剩余一个自由激子，理论上发光强度与激发密度成二次方关系；4 、 4 第一章绪论 在低温下产生p 带的超辐射发射，实验上得出的发光强度与激发密度的关系介于 一次方与二次方之间。而对于l 和2 两种情况，发光强度与激发密度成线性关系， 其斜率比低激发密度情况下的要大，在实验上比较容易观测到，而情况3 和4 在实 验上就比较难观测到。不过无论那种情况，受激发射都能在样品内产生光学增益， 形成激光输出或受激发射光放大( a s e ) 。在更高的激发密度下，样品中载流子 浓度很大，形成了电子空穴等离子体( e h p ) ，其发光能量比p 带要低，通常人们 称之为n 带，同样随着激发强度的增加发光强度产生非线性的增加。所以如果在 p 带形成光输出，其阈值就比n 带的要低。 p u m pd e n s i t y 图1 - 3 在不同激发密度或载流子浓度下的发光机理以及发光性质 另外，研究表明，z n o 量子阱的光学增益比g a n 的还要高，这主要是因为z n o 量子阱的内建电场l l g a n 的小，在相同的激发密度下，电子和空穴的辐射复合几 率l 匕g a n 的大口6 1 。因此，z n o 无疑是新一代低阈值，高效率的紫外波段光电器 件的首选。 在某种程度上，近年来学术论文的数量直接反映了该材料的研究热度。图1 4 是自1 9 9 8 年以来关于z n o 材料的论文被s c i 收录的数量，可见z n o 材料在近几年 来一直是人们研究的热点。 5 空一sue董一艮 第一章绪论 y e a r 图1 4 在过去几年来s c i 上发表关于z n o 的论文的数量 虽然早在1 9 7 2 年人们就已经在极低的温度下观察到z n o 晶体的紫外受激发 射【3 刀，但是随着温度的升高，晶体中化学配位失配，点缺陷也随之大量增多， 其发射强度也迅速淬灭。因此z n o 材料的光电性能方面一直受到冷落，而只有在 压电器件、变阻器、透明电极薄膜等方面得到应用。直至u 1 9 9 2 年，z n o 基的绿光 二极管制成【3 引，以及人们预见到蓝紫光波段光电器件在计算机和通讯领域的重 要应用，对于z n o 器件的研究又注入新的希望和热情。1 9 9 9 年报道了z n o 超快光 调制器f 3 9 1 ，同年，实现了掺珥( e r ) 的z n o 光纤通讯【4 0 】，z n o 基的紫外光探测 器u v a 和m g z n o 基的u v - b 探测器分别于1 9 8 5 年和2 0 0 0 年在实验室得以实现 1 4 。近年来，大量的工作与研究投入于开发出z n o 单晶薄膜，p 型掺杂的z n o ( p z n o ) ，z n o m g z n o 量子阱的室温发光器件1 8 ，2 8 ，4 1 1 。尽管z n o 的p 型掺杂还 存在一些技术性的问题，但很多研究小组都得到了重复性很好的结果，如2 0 0 1 年日本大阪大学x l g u o 等人通过激光脉冲沉积的方法获得了电阻率仅为2 - - 5 q c m 的p 型z n o ，其载流子浓度高达3 - - - 6x1 0 1 8c m - 3 4 2 1 。2 0 0 4 年，日本的科学家 获得- j z n o 同质p n 结的室温电泵浦发光，且具有较强的蓝紫色的带宽特性【4 3 】； 2 0 0 5 年，中科院长春光机所也通过等离子体辅助分子束外延的方法成功的制备了 p 望d z n o ，并获得了室温下的p n 结电致发光。2 0 0 7 年，波兰大学成功研制出异质 的z n o 纳米线l e d 发光】。但要实现z n o 基的激光器件，在得到了稳定的、m g 含量可调的高质量m g x z n l 瞩o 合薄膜的基础上，量子阱结构的物性研究也逐渐提 6 一13s)鲁cbrlbj9qed 第一章绪论 上同程，因为量子阱的结构可以使电子和空穴被同时限制在一个很小的空间范围 内，使它们之间通过辐射复合发光的几率大幅度增加，有利于降低电或者光泵浦 的阈值，提高发光器件的发光效率，这是z n o 基半导体激光器件成功研制的技术 基础。 量子阱结构的优化设计可以降低泵浦阈值、提高发射效率。因此z n o 薄膜在 室温下实现紫外激光以后，找到与z n o 晶格常数匹配且带隙可调的半导体材料， 对于构造z n o 基异质结器件来说就显得尤为重要了。 1 3 2 m g z n o 合金的物理性质 为了制备z n o 基量子阱结构，必须采用与z n o 具有不同禁带宽度的材料，比 如m g z n o 、b e z n o 和c d z n o 混晶，而其中m g z n o 合金材料是首选。m g z n o 材料 具有更优越的环保和安全性外，在物性结构和光学特性方面与z n o 基本相似，更 重要的是其能带结构可以人为的裁剪，即可以在一定范围内随意增大或减小能隙 宽度。因为m g 的离子半径为5 7a 与z n 的离子半径6 0a 十分接近，所以m g 的掺 入z n o 的晶格常数不会发生大的变化，避免了因失配应力而产生高密度缺陷对器 件的性能的破坏作用【4 5 1 。同时z n o 的纤锌矿格子是空的晶体结构，能够允许像 m g ，c d ，a 1 和e r 等其它元素的结合和由杂质引起的晶格扭曲的存在，并且保持 它的纤锌矿晶体结构几乎不变。而m g o 的禁带宽度高达7 7e v ，这使m g z n o 的禁 带宽度可以在较大的范围内调节。因此m g z n o 是z n o 基异质结构的一种合适的垒 层材料。 1 3 3 研究进展 近年来对于z n o m g z n o 的研究也取得了一定的进展。2 0 0 0 年国外的研究小 组在几乎晶格匹配的s c a l m 9 0 4 衬底上制备了z n 0 m g z n 0 量子阱和超晶格，在室温 光泵条件下观察到了激子受激辐射，其阈值远低于z n 0 薄膜h 制。我国的中科院 长春光学精密机械与物理研究所在晶格失配较大的蓝宝石( 0 0 0 1 ) 衬底上制备了 z n 0 m g z n 0 量子阱并在2 0 0 7 年报道了室温光泵条件下来自量子阱中激子一激子散 射所引起的超辐射发光h 7 1 。在我国，目前中科院长春光学精密机械与物理研究 所，浙江大学，大连理工大学和厦门大学等单位在进行z n 0 m g z n 0 量子阱的制作 7 第一章绪论 和或性能研究。 在光学性质上，研究的内容覆盖了激子的结合能与阱宽的关系h 引，激子与 声子的耦合作用以及阱宽对其影响h 9 1 ，阱宽小于2 倍激子波尔半径时的量子局域 限制作用嘞1 ，组成量子阱的垒层与阱层晶格不匹配而引起的格点间距压缩或者 拉伸而引起的内建电场对载流子的复合发光的影响等等咖朝1 。但迄今为止，对 于z n o m g z n o 量子阱在高激发密度下的发射机理与发光性质还不是很清楚。所进 行的研究距离器件的商业化还有一段路要走，其中主要的一个技术难题就是如何 有效提高发光强度。虽然目前可以通过发光二极管阵列来提高发光的强度，但同 时这样也带来了一些缺点：要在微小空间内组成发光阵列，必须采用额外的加工 工艺甚至是微加工，这不利于降低成本；通过发光阵列发射出来的光是非相干光， 其应用方面也就受到了一定的限制。我们知道，发光强度与激发密度成线性或者 二次方的非线性关系，在高的激发密度下电子空穴发光占主导地位，发光强度大 大增加。所以很有必要研究高激发强度下的发光性质，这对于未来开发高发光强 度的紫外光波段纳米光电器件尤为重要。 1 4 研究内容以及主要创新点 1 4 1 研究内容 1 ) 发光能量随激发功率密度的变化 通过改变激发功率密度来研究发光能量的变化情况。当逐渐增大激发功率密 度使得载流子浓度达到m o t t 密度以上时，量子阱以电子一空穴等离子体复合发 光为主，并且电子、空穴之间的相关作用能和库伦屏蔽能导致发射光子的能量随 着载流子浓度的增大而减少。研究发射光子的能量减少随着载流子浓度的变化情 况。 2 ) 能带重整化随阱宽的变化 在同一量子阱的不同阱宽处完成研究内容1 ) 后，总结出能带重整化随阱宽 的变化情况。 3 ) 杂质或缺陷对发光性质的影响 8 第一章绪论 在样品的制备过程中，或多或少会引进一些杂质或者存在一些缺陷。对于 z n o 来说，很容易出现氧空位的缺陷情况，造成n 型z n o 。不同浓度的杂质或 缺陷对发光性质有着不同的影响，可以用b u r s t e i n m o s s 效应来阐述。通过样品 的发光性质来研究杂质或者缺陷的情况。 总的来说，本文通过阱宽渐变的z n o m g 。z n l x o 单量子阱( 其中量子阱的阱 层为z n o ，垒层为m g x z n i x o ，生长的衬底层为蓝宝石的( 11 - 2 0 ) 面上) 的室温下 光致发光光谱来研究了z n o 单量子阱的能带重整化与激发功率密度以及阱宽的 关系，并探讨了阱宽以及缺陷对能带重整化的影响。 1 4 2 主要创新点 1 ) 以往人们对z n o 材料的能带重整化研究只局限与体材料或者厚度为数 百纳米的薄膜，并未体现出二维局域作用对能带重整化的影响。本文研 究的z n o m g z n o 单量子阱的阱层厚度在1 8 - - - 6 0a m 内连续渐变，正 好处于z n o 体材料的2 倍激子波尔半径仅占左右，有利于研究二维局域 作用对能带重整化的影响。 阱宽w = 2 a 口为能隙收缩量的一个临界点，在l 。 2 a 占时，能隙收缩逐渐 开始呈现出饱和的趋势。导致此结果的原因为：阱宽不同，量子局域效 应的强弱也不同；当l & 2 a 占时，量子局域效应变弱，阱宽对多体效应 导致的能隙收缩的影响越来越小，此时量子阱的能带重整化趋于体材料 的模型。相对于体材料，这点规律是量子阱独有的。 2 ) 在其他的报告中，通常是不同时刻制作成不同厚度的量子阱样品，容易 引起不同量子阱样品在除了阱厚之外可能还会有其他的不同之处，例 如，组分和掺杂情况可能会发生变化。这些又会引起应力以及发光效率 的变化，对于准确和系统的研究量子阱的光学性能随阱厚的变化带来了 困难。而我们研究所用的样品是通过一次同时刻完全同样的生长条件下 所生长出来的阱厚连续变化的量子阱，有利于研究量子阱的光学性能随 阱厚的变化，在最大程度上避免了因为其他因素带来的影响。 3 ) 量子阱的制备是在蓝宝石衬底的( 1 1 2 0 ) 面上完成的，比采用( 0 0 0 1 ) 面时的临界厚度大很多，更有利于获得平坦的表面，制备出高质量的量 9 第一章绪论 子阱。 4 ) 由于z n o 是强极性材料，相比于g a a s 等量子阱，激子一声子的耦合作 用使得e h p 一声子混合体随阱宽的增大更加稳定，能隙的收缩随着阱宽 的增大而增大。 5 ) 对于n 型z n o 材料，在高的激发密度情况下，除了要考虑多体效应导致 的能隙收缩外，还要考虑到b u r s t e i n m o s s 能带填充效应导致的能隙展 宽，这是合理解析实验上随激发密度的增大p l 谱先向低能侧移动，再 向高能侧移动的“s 形变化规律的理论基础。 1 0 第一章绪论 第一章参考文献 1 m a h a a s e ，j q i u , j m d e p u y d t ，a n dh c h e n g ，b l u e g r e e nl a s e rd i o d e s ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 1 ，5 9 ：1 2 7 2 - 1 2 7 4 2 h j e o n , j d i n g ，w ：p a t t e r s o n , a vn u m a i k k o ，w ：x i e ，d c g r i l l o ，m k o b a y a s h i ，a n dr l g u n s h o r , b l u e - g r e e ni n j e c t i o nl a s e rd i o d e si n ( z n ，c d ) s e z n s eq u a n t u mw e l l s ，a p p l p h y s l e t t ，19 91 ，5 9 ：3 6 19 3 6 21 3 r m p a r k ，m b t r o f f e r , c m r o u l e a u ，j m d e p u y d t ，a n dm a h a a s e ， p - t y p ez n s eb yn i t r o g e na t o mb e a md o p i n gd u r i n gm o l e c u l a rb e a me p i t a x i a l g r o w t h ，a p p l p h y s l e t t ，19 9 0 ，5 7 ：212 7 - 212 9 4 a c u r r a n ，j k m o r r o d ，k a p r i o r , a k k a r , a n dr j w a r b u r t o n ， e x c i t o n p h o t o nc o u p l i n gi naz n s e - b a s e dm i c r o c a v i t yf a b r i c a t e du s i n ge p i t a x i a l l i f l o f f , s e m i c o n d u c t o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ，2 2 ：118 9 - 119 2 5 s t a n i g u c h i ，t h i n o ，s i t o h ，k n a k a n o ，n n a k a y a m a , a i s h i b a s h i ，a n dm i k e d a , lo o hi i - v ib l u e - g r e e nl a s e rd i o d e ，e l e c t r o n i c sl e r e r s ，19 9 6 ，3 2 ：5 5 2 - 5 5 3 6 s v z a i t s e v , d r y a k o v l e v , a n da b a a r , r e n o r m a l i z a t i o no ft h eb a n dg 印i n h i 曲l yp h o t o e x c i t e dt y p e - i iz n s e b e t es t r u c t u r e s ，s e m i c o n d u c t o r ，2 0 0 9 ，4 3 ：212 7gf r a n s s e n ，t s u s k i ，m k r y s k o ，a k h a c h a p u r i d z e ，r k u d r a w i e c ，j m i s i e w i c z ， a k a m i n s k a , e f e l t i n ，a n dn g r a n d j e a r l ，b u i l t - i ne l e c t r i cf i e l da n dl a r g es t o k e s s h i f ti nn e a r - l a t t i c e - m a t c h e dg a n a i i n nq u a n t u mw e l l s ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 8 ， 9 2 ：2 0 1 9 0 1 2 0 1 9 0 3 8m a k h a n ，d t o l s o n ，j m v a nh o v e ，a n dj n k u z n i a , v e r t i c a l c a v i t y , r o o m t e m p e r a t u r es t i m u l a t e de m i s s i o nf r o mp h o t o p u m p e dg a nf i l m sd e p o s i t e d o v e r s a p p h i r e s u b s t r m e s u s i n gl o w - p r e s s u r em e t a l o r g a n i c c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 1 ，5 8 ：1 5 1 5 1 5 1 7 9 m r u b i n ，n n e w m a n ，j s c h a n ，t c f u ，a n dj t r o s s ，p - t y p eg a l l i u mn i t r i d e b yr e a c t i v ei o