超強磁場下非摻雜ZnSe/BeTeⅡ型量子阱中激子和帶電激子的光學特性*

冀子武 鄭雨軍 徐現(xiàn)剛

1)(山東大學物理學院，濟南 250100)2)(山東大學晶體材料國家重點實驗室，濟南 250100)(2009年11月14日收到;2010年7月25日收到修改稿)

超強磁場下非摻雜ZnSe/BeTeⅡ型量子阱中激子和帶電激子的光學特性*

冀子武1)鄭雨軍1)徐現(xiàn)剛2)

1)(山東大學物理學院，濟南 250100)2)(山東大學晶體材料國家重點實驗室，濟南 250100)(2009年11月14日收到;2010年7月25日收到修改稿)

報道了液態(tài)氦溫度(4.2 K)下非摻雜ZnSe/BeTeⅡ型量子結構中ZnSe勢阱層內空間直接光致發(fā)光(PL)光譜的磁場依賴性(磁場高達53 T).實驗結果顯示，隨著磁場的增加，激子和帶電激子的PL強度呈現(xiàn)出相反的振動行為.當激子的PL強度增加時帶電激子的PL強度減小，反之，當激子的強度減小時帶電激子的強度卻增加.并且在整個磁場范圍內，這些振動呈現(xiàn)近似等間隔的周期性變化.這個行為被解釋為費米能級與朗道能級的周期性共振，這個共振導致了處于費米能級上的二維電子氣態(tài)密度的周期性調制.

光致發(fā)光，二維電子氣，帶電激子，Ⅱ型量子阱

PACS:78.55.－ m，71.10.Ca，71.35.Pq，73.21.Fg，78.20.Ls

1.引 言

近年來，隨著分子束外延 (MBE)生長設備與技術的日益完善和成熟，使得制作超低維、低晶格失配、低無意摻雜濃度的高質量化合物半導體異質結構成為可能［1—3］.ZnSe/BeTe作為一種新型的Ⅱ-Ⅵ族異質結構已經顯示了許多新的特性.其Ⅱ型能帶結構和較大的導帶(或價帶)邊能量落差△ECB(或△EVB)，使得勢阱層ZnSe中受激產生的電子和孔穴發(fā)生空間分離，電子被限制在原來的 ZnSe層內，而空穴則逃逸到相鄰的能量更低的 BeTe層中［3—8］.這種空間分離所造成的 ZnSe層中電子和孔穴濃度的失衡，使得我們即使在非摻雜的結構中也能夠在光致發(fā)光(PL)光譜中同時觀察到激子(X)和帶電激子 (X－)的存在［9，10］. 因此，ZnSe/BeTeⅡ型量子阱(QW)是研究低維半導體中各種光學過程，特別是高密度凝聚現(xiàn)象的理想結構.

在極限實驗條件下測試、研究低維系統(tǒng)的各種光學行為，是理解、掌握其內部動力學過程的重要手段之一.作為極限條件之一的超強磁場，已經在研究ZnSe/BeTeⅡ型QW等結構的光學特性中發(fā)揮了重要的作用［4］.如在超強磁場下，通過回旋共振(cyclotron-resonance)測量已獲得阱層(ZnSe)中電子的濃度、有效質量、散射時間及遷移率等重要信息;而在空間間接PL測量中，已觀察到多體相互作用(many-body interaction)的新型行為等.然而，在超強磁場條件下，對于ZnSe/BeTeⅡ型QW結構中X和X－共存的空間直接PL躍遷行為的研究，據我們所知，迄今為止還沒有詳細的報道.解明X和X－對強磁場的不同相應機制，對于豐富凝聚態(tài)理論，開發(fā)新型的光電器件(如磁控開關、磁觸發(fā)器件等)都具有重要意義.

為了探明ZnSe/BeTeⅡ型QW結構的空間直接PL躍遷的內部物理機理，本文設計并制作了非摻雜、非對稱的ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型 QW 結構，并測試了該結構在極低溫(4.2 K)條件下PL光譜的磁場(磁場高達53 T)依賴性.我們發(fā)現(xiàn)了PL譜在X和X－共存情況下的磁場變化行為，并詳細解釋了X和X－之間的內在關聯(lián)和轉換機理.

2.樣品結構及實驗方法

本研究所用的ZnSe/BeTe/ZnSe樣品是作者在日本千葉大學留學期間于日本國家產業(yè)技術綜合研究所(AIST)超高速光學器件研究室(UPDL)用分子束外延(MBE)的方法，在(001)GaAs襯底上生長而成的［4，5］. 非對稱非摻雜的 ZnSe(40 ML)/BeTe(10 ML)/ZnSe(28 ML)QW結構被夾在兩個200 nm厚的Zn0.77Mg0.15Be0.08Se隔離層之間(ML:monolayer，單分子層).有關本樣品的生長過程和其他結構參數(shù)請參閱文獻［3—5］.

圖1 不同磁場時的光譜(實線為實驗結果，虛線分別表示X和X－在光譜中的分量，空心圓表示它們的和)

上述樣品的磁性 PL(magneto-PL)測量是作者作為研究員在日本東京大學物性研究所國際超強磁場研究中心工作期間進行的.所用的脈沖磁場(高達53 T)是通過電容器放電產生的.磁場的方向與量子阱的生長方向相同(即，法拉弟配置).一個連續(xù)波(cw)He-Cd激光器(325 nm)被用作激發(fā)光源.樣品表面的激發(fā)密度為P=10 W/cm2.上述光譜測量是在低溫(液態(tài)氦溫度，4.2 K)下進行的.信號檢測使用了ANDOR TECHNOLOGY公司的ICCD探測器.

3.實驗結果與討論

圖1分別顯示了連續(xù)變化磁場(0—53 T)中相應于0，26，和53 T時樣品結構中 ZnSe層的空間直接PL譜的情形.測量溫度 T=4.2 K，激發(fā)密度 P=10 W/cm2.在零磁場時(如圖1(a)所示)，峰值處在能量為2.815 eV的發(fā)光峰為40 ML ZnSe層的X躍遷，而位于該發(fā)光峰的低能端約6 meV處的較強的發(fā)光峰為 X－的躍遷［9，10］. 然而，來自 20 ML ZnSe層的躍遷卻沒有被觀察到，這是由于該層的厚度太窄所致［9—12］.為了調查 X和X－的發(fā)光強度和峰值能量隨磁場的變化規(guī)律，對整個磁場范圍內的所有PL譜我們用雙 Voigt線型(double voigt line-shape)函數(shù)進行了反卷積［10，13］.圖 1顯示了磁場強度為0，26和53 T時的擬合結果.其中，實線表示實驗結果，虛線分別表示分離的X和X－的發(fā)光峰，而空心圓則代表它們的和.圖2顯示了X和X－的PL強度和峰值能量在整個磁場范圍內(0—53 T)對磁場B的依賴性.

如圖2所示，當 B大于約12 T時，X－的 PL強度IX－和峰值能量 EX－顯示了一個明顯的振動行為.然而，對于X，我們只觀察到了其 PL強度 IX的振動行為.同時還發(fā)現(xiàn)，在X和X－的PL強度之間存在著一個明顯的競爭行為.即，當 IX－減小時 IX增加，反之，當IX－增加時IX減小.類似的振動行為在其他樣品(如對稱結構的 ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型量子阱)的實驗測量中也已經被觀察到.上述振動行為被認為是與 光生(photo-excited)空穴和處在費米能級上的電子有關.在磁場存在的情況下，二維電子氣(2DEG)系統(tǒng)的費米面總是處在被電子占有的最高朗道能級(Landau level)上(如圖3所示).根據公式NL=eB/h(NL為每個朗道能級上的態(tài)密度，e電子的電量，h為普朗克常數(shù))，隨著 B的增加，每個朗道能級上的態(tài)密度也增加.因為激發(fā)強度是恒定的(P=10 W/cm2)，所以一般來說電子的濃度(Ne)應近似為常數(shù).基于上述分析，隨著B的增加，當被電子占有的最高朗道能級變?yōu)槿諘r，費米面就會移動到下一個較低的朗道能級上.這樣，朗道能級與費米面的周期性共振導致了2DEG系統(tǒng)態(tài)密度的周期性調制.當2DEG的濃度增加時，IX－增加，同時，由于來自電子的屏蔽作用也相應增強，結果導致IX減小，反之亦然.因此，在連續(xù)變化的磁場中，IX－和IX的上述競爭行為被認為是起因于由費米面與朗道能級周期性共振造成的2DEG濃度的周期性變化.EX－的振動主要是起因于2DEG系統(tǒng)費米面的起伏(如圖2(b)所示).

圖2 X和X－的PL積分強度(a)和峰值能量(b)與磁場的關系(豎直虛線顯示了IX－極小值和IX極大值所處的磁場位置)(a)IPL-B;(b)EPL-B

圖3 朗道能級與態(tài)密度關系示意圖.其中，E，D和EF分別表示能量，態(tài)密度和費米面

我們也注意到，在整個磁場范圍內，本實驗所用樣品以及其他相近樣品都展示了一個類似的變化行為，即，IX－展示了一個顯著的降低，同時EX－和EX則顯示了一個非線性增加(如圖2(a)所示).前者是由磁場產生的有效限制(effective confinement)導致X－的相干體積 (coherence volume)減小造成的［14］，而后者則是起因于激子的反磁性位移(excitonic diamagnetic shift).另外，我們還發(fā)現(xiàn)，IX－，IX及EX－的這些振動所產生的極大值(或極小值)對于B來說幾乎是等間隔的(如圖2中的豎直虛線所示).綜合其他樣品的實驗結果，我們發(fā)現(xiàn)這個振動間隔一般來說是非規(guī)則的，并與多種因素有關(如，樣品結構，實驗溫度，激發(fā)強度等).這個非規(guī)則的振動間隔反映了在磁場變化過程中，結構內的電子濃度并不是一個恒量，因此我們無法根據公式ν=Neh/eB來求解填充因子ν.這可能是強磁場下的一個獨特現(xiàn)象，即在連續(xù)變化的強磁場中，該結構中的電子濃度隨磁場的變化有一定的起伏.我們先前的有關該類結構的Ⅱ型PL研究成果也支持這一觀點［15—17］.這一點不同于其它的一些研究報道，如，Lema tre［18］，Yamashita［19］，Nomura［20］等人的研究報道.因為這些報道所涉及的都是低磁場范圍(一般小于7 T，最大也不會超過12 T)下的光學行為，在這種情況下，電子濃度可以被看作是一個常數(shù)，所以可以用公式ν=Neh/eB來求解填充因子.當然，要完全探明、解釋該結構中的各種光學現(xiàn)象，還有待于進一步的理論和實驗探討.

4.結 論

本文在極低溫、超強磁場條件下調查了非對稱、非摻雜ZnSe/BeTe/ZnSeⅡ型QW結構的空間直接PL躍遷的光譜特性.結果發(fā)現(xiàn)，X和X－共存的PL光譜在連續(xù)變化的磁場中展示了一個有趣的振蕩行為:當IX增強時 IX－則減小，反之，當 IX減小時IX－則增強.這個競爭行為被解釋為起因于朗道能級與費米面的周期性共振，這個共振導致了2DEG濃度的周期性調制.當2DEG濃度增加時，IX－增加，同時X因受到來自電子的屏蔽增加而導致其強度IX減小，反之亦然.EX－的振動行為反映了費米面隨變化磁場的起伏過程.

感謝日本千葉大學光物性量子傳導研究室的各位老師在數(shù)據處理、理論分析過程中所給予的大力支持和幫助.

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PACS:78.55.－ m，71.10.Ca，71.35.Pq，73.21.Fg，78.20.Ls

Optical properties of exciton and charged exciton in undoped ZnSe/BeTe type-Ⅱquantum wells under high magnetic fields*

Ji Zi-Wu1)Zheng Yu-Jun1)Xu Xian-Gang2)
1)(School of Physics，Shandong University，Jinan 250100，China)2)(State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China)(Received 14 November 2009;revised manuscript received 25 July 2010)

We report on the magnetic field(up to 53 T)dependence of photoluminescence(PL)spectra occurring as a spacially direct optical transition of the ZnSe layer in undoped ZnSe/BeTe/ZnSe type-II quantum structures at a low temperature(4.2 K).With magnetic field increasing，the PL intensity(IX)of exciton(X)shows an oscillation feature opposite to the PL intensity(IX－)of charged exciton(X－).As IX－

increases，IXdecreases，but as IX－

decreases，IXincreases.In all fields，the oscillation behaviour shows a periodic change approximately with magnetic field interval.The results are attributed to the periodic resonance of the Fermi level with the Landau level，which results in the modulation of the density of states of the 2DEG system at the Fermi energy.

luminescence，two-dimensional electron gas，charged exciton，type-Ⅱ quantum well

*國家自然科學基金(批準號:10844003，10874101)，山東省自然科學基金(批準號:Y2008A10)，國家重點基礎研究發(fā)展計劃(批準號:2009CB930503)資助的課題.

E-mail:jiziwu@gmail.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.1084403，10874101)，the Shandong Nataral Science Foundation of China(Grant No.Y2008A10)，the National Basic Research Program of China(Grant No.2009CB30503).

E-mail:jiziwu@gmail.com