引入Si摻雜層調(diào)控InGaAs/GaAs表面量子點(diǎn)的光學(xué)特性

劉曉輝,劉景濤,郭穎楠,王 穎,郭慶林,梁寶來(lái),王淑芳,傅廣生

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071002)

0 引 言

半導(dǎo)體量子點(diǎn)(quantum dots， QDs)因物理尺度小于材料的激子玻爾半徑，其電子狀態(tài)發(fā)生突變，從而顯示出納米尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和獨(dú)特的光電性質(zhì)，在新一代光電器件領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[1-4]。采用自組裝生長(zhǎng)技術(shù)在GaAs襯底上外延制備的In(Ga)As(即InAs和InGaAs)量子點(diǎn)是研究和應(yīng)用較為廣泛的半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料之一[5-7]，具有制備簡(jiǎn)單、晶體質(zhì)量高、光電性能好且易于調(diào)控、與GaAs半導(dǎo)體制備工藝兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于開發(fā)激光器[8]、探測(cè)器[9]、存儲(chǔ)器、太陽(yáng)能電池等光電器件[10]。這些器件研究與應(yīng)用中的In(Ga)As/GaAs半導(dǎo)體量子點(diǎn)大多是埋藏量子點(diǎn)(buried quantum dots， BQDs)[11]，即在In(Ga)As量子點(diǎn)的表面覆蓋一層GaAs或AlGaAs寬禁帶材料(蓋帽層)來(lái)抑制表面態(tài)對(duì)量子點(diǎn)器件光學(xué)性能和電學(xué)性能的影響，加蓋層后的In(Ga)As量子點(diǎn)埋藏在GaAs或AlGaAs基底材料中，所以對(duì)環(huán)境的變化不敏感。

近年來(lái)隨著對(duì)量子點(diǎn)的研究不斷深入，人們開始關(guān)注In(Ga)As表面量子點(diǎn)的性能與應(yīng)用。未生長(zhǎng)GaAs或AlGaAs蓋帽層而直接暴露在GaAs基底表面的In(Ga)As量子點(diǎn)稱為表面量子點(diǎn)(surface quantum dots， SQDs)，其表面存在大量的懸掛鍵[12]，形成表面態(tài)。環(huán)境的變化往往會(huì)對(duì)表面態(tài)產(chǎn)生很大影響進(jìn)而改變SQDs的光電特性，這使得SQDs具有靈敏的表面敏感特性，可用于制作環(huán)境和生化傳感器，目前已有報(bào)道利用In(Ga)As的SQDs材料制備空氣濕度傳感器[13-14]。

In(Ga)As/GaAs SQDs表面敏感特性的物理機(jī)制研究與調(diào)控是器件開發(fā)的前期基礎(chǔ)。已有研究結(jié)果表明In(Ga)As/GaAs SQDs的表面敏感特性來(lái)源于表面態(tài)造成的表面費(fèi)米能級(jí)的釘扎效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上人們已經(jīng)提出多種方法調(diào)控和改善In(Ga)As/GaAs SQDs的表面敏感特性，比如采用氧化層刻蝕和表面鈍化的方法來(lái)耗盡表面態(tài)[15-16]，或者采用掩埋量子點(diǎn)、量子阱與SQDs組成混合耦合結(jié)構(gòu)為SQDs提供載流子[17-18]，相應(yīng)地也可以向量子點(diǎn)內(nèi)或勢(shì)壘層內(nèi)進(jìn)行摻雜來(lái)注入載流子改變SQDs表面特性[19-24]。本課題組先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)InGaAs SQDs具有間接躍遷熒光輻射特征[25]，這是由于SQDs樣品的表面費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)引起SQDs內(nèi)電子向表面轉(zhuǎn)移，造成了SQDs內(nèi)正負(fù)電荷中心分離。預(yù)計(jì)摻雜可以有效改變SQDs內(nèi)部電荷的空間分布并影響SQDs的光電特性。本文在InGaAs/GaAs SQDs的襯底一側(cè)GaAs勢(shì)壘層中引入Si摻雜層并調(diào)控其摻雜濃度，通過(guò)光致熒光譜(PL)、變激發(fā)強(qiáng)度光譜及時(shí)間分辨熒光譜(time-resolved photoluminescence, TRPL)等光致熒光光譜技術(shù)詳細(xì)研究Si擴(kuò)散摻雜對(duì)InGaAs/GaAs SQDs光致發(fā)光特征的影響，討論了Si擴(kuò)散摻雜調(diào)控In(Ga)As/GaAs SQDs表面敏感特性的物理機(jī)制及其在表面敏感傳感器的應(yīng)用前景。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品生長(zhǎng)與熒光光譜測(cè)量

實(shí)驗(yàn)所用SQDs樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣品均由固體源分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)生長(zhǎng)在半絕緣GaAs(100)襯底表面上。首先，在As2環(huán)境下GaAs襯底經(jīng)過(guò)600 ℃脫氧后在580 ℃生長(zhǎng)100 nm 的GaAs緩沖層(GaAs buffer)，GaAs的生長(zhǎng)速率為 0.5原子層/秒 (monolayer/second, ML/s)，然后在同一溫度下生長(zhǎng)25 nm的n摻雜GaAs層和10 nm的非摻雜GaAs間隔層，隨后襯底溫度降至500 ℃，以0.5 ML/s的速度生長(zhǎng)12 ML的In0.45Ga0.55As 形成SQDs。最后，保持As2背景氣壓將樣品溫度降到300 ℃，從MBE生長(zhǎng)腔取出樣品后進(jìn)行形貌和光學(xué)特性測(cè)試。在這一結(jié)構(gòu)中n摻雜GaAs層的Si摻雜原子通過(guò)10 nm的GaAs間隔層擴(kuò)散到SQDs，實(shí)現(xiàn)對(duì)SQDs的摻雜改性。摻雜GaAs層的Si摻雜濃度分別控制為 0、1×1017cm-3、3×1017cm-3、6×1017cm-3、1.2×1018cm-3，對(duì)應(yīng)的樣品命名為A、B、C、D、E。

圖1 表面量子點(diǎn)樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SQDs sample structure

實(shí)驗(yàn)上主要采用PL研究Si摻雜濃度對(duì)SQDs熒光特性的影響。樣品安裝在閉循環(huán)恒溫樣品室內(nèi)的樣品托上，溫度從8 K到300 K連續(xù)可調(diào)，532 nm連續(xù)激光束通過(guò)一個(gè)20倍物鏡聚焦到樣品表面進(jìn)行激發(fā)，產(chǎn)生的PL信號(hào)也通過(guò)20倍物鏡收集和準(zhǔn)直再匯聚到光柵光譜儀的入射狹縫，經(jīng)光柵分光后到達(dá)液氮制冷的CCD探測(cè)器陣列，其探測(cè)到的PL信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存和分析處理。另外把激發(fā)光源換成532 nm的皮秒脈沖激光器，在光譜儀的側(cè)端狹縫出口連接紅外光電倍增管和Picoharp-300單光子計(jì)數(shù)器系統(tǒng)用于TRPL測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

首先實(shí)驗(yàn)采集1 μm×1 μm 原子力顯微鏡(AFM)照片，對(duì)樣品SQDs的形貌和尺度進(jìn)行分析。通過(guò)圖2(a)所示的AFM照片可以觀察到，所有樣品都具有良好的SQDs分布，樣品表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷或大的不相干島嶼。圖2(b)和圖2(c)給出了SQDs高度分布直方圖和直徑分布直方圖，從圖中可以看出，SQDs的尺度呈現(xiàn)單一模式的高斯分布，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多組模式量子點(diǎn)的存在特征。由圖2(b)和圖2(c)統(tǒng)計(jì)分析得到了SQDs的平均

圖2 樣品A～E的1 μm×1 μm AFM形貌照片(a)和高度統(tǒng)計(jì)直方圖(b)、直徑統(tǒng)計(jì)直方圖(c)Fig.2 1 μm×1 μm AFM images of sample A to E (a) and the histogram of height (b) and diameter (c)

高度和平均直徑，結(jié)果總結(jié)在表1中。從表中可以看出，除了樣品E以外，A～D樣品的SQDs的尺度和表面密度沒(méi)有明顯變化，SQDs的平均高度約為8.5 nm，平均直徑約為38.0 nm，SQDs的表面密度約為4.54×108cm-2，因此Si摻雜濃度的變化對(duì)A～D樣品的量子點(diǎn)的尺度和密度未造成明顯影響。對(duì)于樣品E，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示SQDs的平均高度約為9.6 nm，平均直徑約為45.0 nm，SQDs的密度約為3.9×108cm-2，與其他樣品相比較，樣品E的SQDs的密度明顯變小，尺度變大，這說(shuō)明對(duì)于樣品E，摻雜濃度較高，更多的摻雜Si原子通過(guò)10 nm的GaAs間隔層擴(kuò)散到GaAs生長(zhǎng)表面，使得GaAs表面的平整度、缺陷濃度以及表面能和表面擴(kuò)散等動(dòng)力學(xué)過(guò)程都受到影響，進(jìn)而在SQDs生長(zhǎng)過(guò)程中改變了量子點(diǎn)的成核過(guò)程以及量子點(diǎn)的尺度和密度分布[26-28]。

表1 樣品A～E的高度、直徑、密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Height, diameter, and surface density of SQDs for samples A to E

2.2 能帶分析

之前的研究中已經(jīng)采用eight-band k·p方法的包絡(luò)函數(shù)近似模擬了In0.4Ga0.6As/GaAs SQDs的能帶分布[25]，確定了SQDs的基態(tài)電子能級(jí)(E1)和基態(tài)空穴能級(jí)(H1)位置，如圖3所示。計(jì)算得到的SQDs的基態(tài)電子能級(jí)到基態(tài)空穴能級(jí)的E1-H1躍遷輻射能量(1.051 eV)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的PL發(fā)光峰能量(～0.953 eV)明顯存在失配，表明SQDs的PL發(fā)光峰不是來(lái)自E1-H1的直接躍遷輻射，而是對(duì)應(yīng)于圖中標(biāo)記的E0-H1的躍遷輻射，也就是從釘扎在SQDs表面的電子到因量子限制效應(yīng)布居在SQDs中的空穴之間的輻射復(fù)合，具有典型的間接躍遷輻射復(fù)合特征。因此SQDs內(nèi)存在E1-H1直接躍遷輻射和E0-H1間接躍遷輻射兩種躍遷輻射方式。Si摻雜層的摻雜電子通過(guò)擴(kuò)散的方式到達(dá)10 nm GaAs間隔層表面并被SQDs捕獲，然后轉(zhuǎn)移到SQDs表面并填充費(fèi)米能級(jí)釘扎態(tài)，這會(huì)減弱SQDs的表面態(tài)因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)而對(duì)光生載流子的耗盡效應(yīng)，增加光生載流子通過(guò)直接躍遷進(jìn)行輻射復(fù)合的可能性，進(jìn)而改變SQDs載流子動(dòng)力學(xué)特征。

圖3 SQDs的能帶結(jié)構(gòu)和電荷分布示意圖Fig.3 Diagram of band structure and charge distribution for the SQDs

2.3 光致發(fā)光分析

為了驗(yàn)證Si摻雜濃度對(duì)SQDs發(fā)光特性的影響，在溫度為8 K和激發(fā)強(qiáng)度為3 W/cm2的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量了樣品的PL譜。圖4(a)結(jié)果顯示InGaAs SQDs的PL譜特征隨Si摻雜濃度的增加具有明顯變化。圖4(b)是A～E樣品的PL譜積分強(qiáng)度、峰值能量、半峰全寬(full width at half maximum, FWHM)的對(duì)比，可以看到隨著摻雜濃度的增加，樣品的PL峰值位置先紅移后藍(lán)移，在樣品E中又產(chǎn)生了顯著的紅移。因?yàn)锳～D樣品的SQDs的平均高度和直徑?jīng)]有明顯變化，所以不能用尺寸變化來(lái)解釋A～D樣品PL峰值位置的變化。對(duì)于樣品A到樣品C的紅移，可以認(rèn)為是摻雜電子對(duì)表面態(tài)的填充導(dǎo)致的。前期研究結(jié)果已經(jīng)表明[25]，InGaAs SQDs由于費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)造成正負(fù)電荷的空間分離分布，電子釘扎在表面而空穴居于SQDs內(nèi)部。因此，隨著Si摻雜濃度增加，擴(kuò)散摻雜到SQD的電子增多，表面態(tài)逐漸被填充，正負(fù)電荷的空間分離分布造成的表面能帶彎曲減弱，導(dǎo)致了SQDs的PL譜峰值位置的紅移。D樣品的表面態(tài)可能已經(jīng)被摻雜電子填滿，表面態(tài)對(duì)光生載流子的吸附減弱，SQDs內(nèi)的光生載流子的E0-H1間接躍遷輻射概率減弱，E1-H1直接躍遷輻射復(fù)合顯著增強(qiáng)，所以峰位發(fā)生藍(lán)移。E樣品的表面態(tài)不僅已經(jīng)被填滿，而且摻雜電子開始填充量子點(diǎn)基態(tài)，由于能態(tài)填充效應(yīng)，峰位本應(yīng)該藍(lán)移，但是E樣品摻雜濃度更高，改變了量子點(diǎn)的成核過(guò)程和量子點(diǎn)的尺度，導(dǎo)致E樣品SQDs高度遠(yuǎn)高于其他樣品，E樣品SQDs尺寸變大造成峰位紅移[29]，且尺度變化造成的紅移大于能態(tài)填充對(duì)峰位的影響，所以峰位發(fā)生紅移。

圖4 A～E樣品的低溫光致發(fā)光光譜(a)和峰位、半峰全寬、積分強(qiáng)度(b)Fig.4 Low temperature photoluminescence spectra of A～E samples (a) and peak energy, FWHM, and integrated intensity (b)

為了進(jìn)一步研究Si摻雜濃度對(duì)InGaAs SQDs內(nèi)部的載流子動(dòng)力學(xué)和主要輻射躍遷方式的影響，在0.003(I0=0.003 W/cm2)～3 000 W/cm2(106I0)測(cè)量了各個(gè)樣品的PL譜隨激光激發(fā)強(qiáng)度變化的依賴關(guān)系，結(jié)果如圖5(a)所示。選取3 W/cm2激發(fā)下的PL譜進(jìn)行擬合分析，如圖5(b)所示，①曲線對(duì)應(yīng)E0-H1間接躍遷峰，②曲線對(duì)應(yīng)E1-H1直接躍遷峰，③曲線對(duì)應(yīng)擬合得到的整體PL譜?？梢郧宄吹?，D和E樣品的直接躍遷峰所占比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間接躍遷峰，可以認(rèn)為此時(shí)主導(dǎo)的輻射躍遷方式是E1-H1直接躍遷。圖5(c)中黑色曲線顯示了間接躍遷峰與直接躍遷峰的積分強(qiáng)度比值隨激發(fā)強(qiáng)度的變化關(guān)系，在0.01 W/cm2到3 W/cm2的激發(fā)強(qiáng)度下，A樣品的強(qiáng)度比值趨近于4，此時(shí)光生載流子填充到表面能級(jí)，E0-H1間接躍遷輻射在PL內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)。在激發(fā)強(qiáng)度從3 W/cm2增加到3 000 W/cm2時(shí)，積分強(qiáng)度比值快速降低，說(shuō)明光生載流子開始填充到量子點(diǎn)內(nèi)的受限能級(jí)。當(dāng)積分強(qiáng)度比值低于1時(shí)，直接躍遷峰的比重開始強(qiáng)于間接躍遷峰，直接躍遷成為主要的輻射躍遷方式。B和C樣品的積分強(qiáng)度比值在激發(fā)強(qiáng)度為1 W/cm2時(shí)開始降低，D樣品的積分強(qiáng)度比值在激發(fā)強(qiáng)度為0.1 W/cm2開始降低，并且在1 W/cm2的激發(fā)強(qiáng)度下低于1，這表明隨著摻雜濃度的增加和摻雜電子對(duì)表面態(tài)的填充，直接躍遷輻射的概率大幅增加。圖5(c)中②曲線圖顯示了E1-H1直接躍遷峰位隨激發(fā)強(qiáng)度的變化關(guān)系，A樣品的直接躍遷峰位無(wú)明顯變化，表明量子點(diǎn)內(nèi)基態(tài)能級(jí)并未填滿，B、C、D樣品的直接躍遷峰位在300 W/cm2、100 W/cm2、3 W/cm2的激發(fā)強(qiáng)度下快速藍(lán)移，此時(shí)基態(tài)能級(jí)已經(jīng)被填滿，光生載流子開始填充更高能態(tài)。這表明摻雜濃度增加明顯提高了InGaAs SQDs的直接躍遷輻射概率。

樣品E的積分強(qiáng)度比值在激發(fā)強(qiáng)度為0.01 W/cm2時(shí)低于1，直接躍遷峰的輻射強(qiáng)度高于間接躍遷峰，表明摻雜電子已經(jīng)填充到量子點(diǎn)的基態(tài)能級(jí)。隨著激發(fā)強(qiáng)度的增加，積分強(qiáng)度比值逐漸增加至2.5，并在1 W/cm2時(shí)快速降低，一般認(rèn)為這是過(guò)多的摻雜電子引起的俄歇過(guò)程的增強(qiáng)導(dǎo)致的。Nilsson等[30]提出量子點(diǎn)與浸潤(rùn)層的載流子散射存在三種類型，并且每種類型均只涉及兩個(gè)載流子。Uskov等[31]提出俄歇II型捕獲過(guò)程為：浸潤(rùn)層的空穴與量子點(diǎn)先前捕獲的電子發(fā)生俄歇散射，該空穴被量子點(diǎn)捕獲，電子被激發(fā)到浸潤(rùn)層的二維態(tài)。Nah等[27]認(rèn)為量子點(diǎn)摻雜硅會(huì)增強(qiáng)俄歇II型過(guò)程，俄歇過(guò)程可能在基態(tài)變得非?；钴S。對(duì)于E樣品，摻雜電子對(duì)量子點(diǎn)基態(tài)的填充增強(qiáng)了俄歇II型過(guò)程，摻雜電子被激發(fā)到浸潤(rùn)層的二維態(tài)，同時(shí)浸潤(rùn)層的空穴被量子點(diǎn)捕獲，在0.01～1 W/cm2的低激發(fā)強(qiáng)度下，阻礙了直接躍遷輻射發(fā)光，使得積分強(qiáng)度比值增加，隨著激發(fā)強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，足夠多的光生載流子抵消俄歇II型散射的損耗，積分強(qiáng)度比值又開始降低。

圖5 變激發(fā)強(qiáng)度光致發(fā)光光譜(a), 3 W/cm2激發(fā)強(qiáng)度下的歸一化PL譜的分峰擬合曲線(b), E0-H1間接躍遷峰與E1-H1 直接躍遷峰的積分強(qiáng)度比值(①曲線-左軸)和峰值能量(②和③曲線-右軸)隨激發(fā)強(qiáng)度的變化關(guān)系(c)Fig.5 Photoluminescence spectra as functions of the excitation intensity (a), mult-peak fitting of the normalized PL spectra under the excitation intensity of 3 W/cm2 (b), integrated intensity ratio (① line-left axis) and peak energy (② and ③ line-right axis) of E0-H1 indirect and E1-H1 direct transition peaks as a function of excitation intensity (c)

圖6(a)給出了各個(gè)樣品的PL譜積分強(qiáng)度隨激光激發(fā)強(qiáng)度的變化關(guān)系，并通過(guò)公式I=ηPα對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[32-33]，其中I代表SQD的PL譜積分強(qiáng)度，P表示激光激發(fā)功率密度，α和η均為擬合參數(shù)，α值與參與輻射復(fù)合的載流子種類有關(guān)，而η值則與PL效率相關(guān)，擬合得到的各個(gè)參數(shù)值如表2所示?？梢钥闯靓林稻咏?，所有樣品在低溫下以激子復(fù)合為主[32]。隨著摻雜濃度從樣品A增加到樣品D，擬合得到的η逐漸增加，D樣品的η最高，說(shuō)明摻雜填充了非輻射表面態(tài)以及電子陷阱，使得載流子輻射復(fù)合效率增高。E樣品的η開始降低，這是由于隨著摻雜濃度的進(jìn)一步提高，電子開始摻雜進(jìn)入到量子點(diǎn)內(nèi)部并增強(qiáng)了俄歇復(fù)合，輻射復(fù)合效率降低。圖6(i)給出了SQDs的PL峰值能量與激光激發(fā)強(qiáng)度立方根的依賴關(guān)系，A、B、C三個(gè)樣品呈線性依賴特征，而D和E樣品呈非線性。之前的研究表明由于費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，SQDs具有II型能帶發(fā)光特征，主要特征就是峰值能量線性依賴于激光激發(fā)強(qiáng)度的立方根[34]。在此基礎(chǔ)上，圖6結(jié)果進(jìn)一步表明Si摻雜層及其摻雜濃度可以改變SQDs的II型能帶發(fā)光特征。

圖6 變激發(fā)光致發(fā)光光譜的積分強(qiáng)度(a)、峰值能量(b)、半峰全寬(c)、PL峰值能量變化量(d)～(h)和 SQDs的峰值能量與激發(fā)強(qiáng)度的立方根之間的變化關(guān)系(i)Fig.6 Dependence of the excitation intensity dependence on the integrated PL intensity (a)， the peak energy (b)， FWHM (c), the peak energy shift (d)～(h) and the peak energies are plotted as a function of the cube root of the excitation intensity (i)

組態(tài)交互作用 (configuration interaction, CI)方法可以用來(lái)檢驗(yàn)PL峰位的藍(lán)移和確認(rèn)量子點(diǎn)的II型能帶結(jié)構(gòu)分布[35]，II型能帶結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的峰值位置的藍(lán)移是由電子和空穴的空間分離分布引起的“能帶彎曲”和“態(tài)填充”引起的。圖6(d)～(h)中以對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)尺度顯示了PL峰值能量位移與激發(fā)強(qiáng)度的變化關(guān)系，即ΔE=bPa，其中ΔE為激發(fā)功率為P時(shí)的PL峰值相對(duì)于最小激發(fā)功率時(shí)的PL峰值的能量位移，b和a為擬合參數(shù)。對(duì)于SQDs樣品，定義b1和b2分別對(duì)應(yīng)“能帶彎曲”和“態(tài)填充”引起峰值位置藍(lán)移量變化的斜率。A和B樣品對(duì)應(yīng)的b1幾乎不變，這是因?yàn)樯倭繐诫s填充了部分電子陷阱和非輻射表面態(tài)，對(duì)“能帶彎曲”影響較小。C樣品的b1減小，說(shuō)明能帶彎曲引起的藍(lán)移逐漸減弱，這正是摻雜電子對(duì)表面態(tài)的填充導(dǎo)致的。D樣品的b1快速增加，這顯然不同于普通II型和I型量子點(diǎn)的發(fā)光特征，一般認(rèn)為D樣品處于I型和II型發(fā)光共存的狀態(tài)，在低激發(fā)強(qiáng)度下，二者存在較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)，能帶彎曲和庫(kù)侖勢(shì)共同作用使得峰位快速藍(lán)移。E樣品的b1接近于0，類似于I型能帶發(fā)光特征。這一結(jié)果與圖5得到的結(jié)果基本吻合。

表2 通過(guò)公式I=ηPα對(duì)各樣點(diǎn)PL積分強(qiáng)度擬合得到的α和η參數(shù)Table 2 α and η parameters obtained by I=ηPα to fit the integrated PL intensity for each sample

2.4 時(shí)間分辨光譜分析

圖7 8 K時(shí)各樣品的TRPL衰減曲線Fig.7 TRPL decay curves measured at 8 K for each sample

在8 K低溫條件下在樣品的PL峰值位置處測(cè)量了TRPL譜。A和B樣品的TRPL譜呈現(xiàn)非線性衰減，采用雙指數(shù)衰減函數(shù)I=A[exp(-t-t0)/τ1]+B[exp(-t-t0)/τ2]對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量衰減曲線進(jìn)行擬合，其中τ1定義為SQDs中電子和空穴之間的輻射復(fù)合壽命，τ2對(duì)應(yīng)于SQDs中載流子隧穿到表面態(tài)的時(shí)間，A1和A2為代表兩個(gè)衰減過(guò)程的振幅系數(shù)。擬合得到A和B樣品的τ1分別為1.487 ns和1.606 ns，τ2分別為0.383 ns和0.457 ns。非線性指數(shù)衰減特征和長(zhǎng)載流子壽命是II型量子點(diǎn)發(fā)光的典型特征[36]。從樣品A到樣品B，隨著摻雜濃度的增加，載流子的輻射復(fù)合壽命τ1也增加，這歸因于摻雜電子對(duì)表面態(tài)的填充改變了SQDs的能帶彎曲以及電子與空穴的波函數(shù)重疊。隨著摻雜濃度的進(jìn)一步增加，C、D、E三個(gè)樣品的TRPL譜的非線性指數(shù)衰減行為減弱，表現(xiàn)出準(zhǔn)單指數(shù)衰減特征，這與I型能帶結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的發(fā)光特征類似。對(duì)樣品D仍采用雙指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行擬合，得到的τ1增加至2.01 ns，這明顯高于I型能帶結(jié)構(gòu)InGaAs量子點(diǎn)的發(fā)光壽命，說(shuō)明樣品D的SQDs發(fā)光是E0-H1間接躍遷輻射和E1-H1直接躍遷輻射共存，能帶彎曲和庫(kù)侖勢(shì)的共同作用使得樣品D的SQDs載流子壽命繼續(xù)增加。類似得到E樣品的SQDs載流子壽命為1.727 ns，這可能是因?yàn)閾诫s電子開始填充到量子點(diǎn)內(nèi)，電子與空穴的波函數(shù)重疊增加，并且增強(qiáng)的俄歇復(fù)合也會(huì)使得載流子壽命降低。

表3 各樣品TRPL衰減曲線的擬合結(jié)果Table 3 Results of each sample obtained by fitting the TRPL decay curves

3 結(jié) 論

在InGaAs SQDs的GaAs勢(shì)壘層中引入Si摻雜層并改變Si摻雜濃度為0、1×1017cm-3、3×1017cm-3、6×1017cm-3、1.2×1018cm-3， PL和TRPL測(cè)量結(jié)果顯示InGaAs SQDs發(fā)光非常依賴于Si摻雜濃度。隨著摻雜濃度的增加，InGaAs SQDs發(fā)光特征具有明顯改變，包括：(1)SQDs的PL峰值位置先紅移后藍(lán)移；(2)PL峰值能量與激光激發(fā)強(qiáng)度的立方根的依賴關(guān)系由線性向非線性轉(zhuǎn)變；(3)通過(guò)組態(tài)交互作用方法發(fā)現(xiàn)SQD的PL峰位藍(lán)移減弱；(4)TRPL顯示了從非線性衰減到線性衰減的轉(zhuǎn)變以及SQDs壽命的變化。分析認(rèn)為SQDs內(nèi)存在直接躍遷輻射和間接躍遷輻射兩種躍遷輻射方式，二者之間存在很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。Si摻雜能夠填充InGaAs SQDs的表面態(tài)并且改變表面費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)和SQDs的熒光輻射特性。這為深入理解InGaAs SQDs的表面敏感特性關(guān)聯(lián)的物理機(jī)制和載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程、合理調(diào)控InGaAs SQDs的表面敏感光電特性、促進(jìn)InGaAs/GaAs SQDs材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和新的技術(shù)手段。