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载流子注入对InGaAs/GaAs表面量子点光学特性的调控

载流子注入对InGaAs/GaAs表面量子点光学特性的调控

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作者：刘晓辉河北大学

学位级别：硕士

InGaAs/GaAs表面量子点(Surface quantum dots,SQDs)受到表面费米能级的钉扎效应影响,具有II型能带结构量子点的荧光辐射特征,合理的改善和调控表面费米能级钉扎效应及关联的光电特性有助于开发基于表面量子点的气体和湿度传感器。本文... 详细信息

InGaAs/GaAs表面量子点(Surface quantum dots,SQDs)受到表面费米能级的钉扎效应影响,具有II型能带结构量子点的荧光辐射特征,合理的改善和调控表面费米能级钉扎效应及关联的光电特性有助于开发基于表面量子点的气体和湿度传感器。本文采用光致荧光发射谱(Photoluminescence,PL)、荧光激发谱(Photoluminescence excitation,PLE)、时间分辨荧光谱(Time-Resolved Photoluminescence,TRPL)等光谱技术研究了由In Ga As/Ga As表面量子点构建的载流子注入结构材料的光致发光特性,探究了载流子注入对表面量子点的费米能级钉扎效应和载流子空间分布的影响。主要研究如下:(1)模拟单层In Ga As SQDs样品的能带分布,揭示了由于表面费米能级钉扎效应导致载流子空间分离,SQDs光致发光主要来源于钉扎在表面的电子与价带上的空穴之间的间接跃迁辐射复合。在弱激发条件下,低温PL测量结果表明SQDs的半高宽(FWHM)减小、峰位单调蓝移并且与激发强度的立方根成线性关系,通过速率方程计算出该SQDs样品的最高内量子发光效率仅为38.6%。TRPL谱显示SQDs的荧光具有非线性衰减和长载流子寿命特征。这些实验结果证实SQDs具有II型能带结构量子点的发光特征。(2)构建量子阱(Quantum well,QW)载流子注入结构,以单层QW作为载流子存储层,通过薄间隔层注入载流子到SQDs。实验发现QW与SQDs的耦合注入结构在不同间隔层厚度下具有不同的载流子收集、注入和复合通道。在具有2.5 nm的薄Ga As间隔层的强耦合注入结构中,SQDs从QW中获得了有效的载流子注入,并且在该组样品中具有最高的内量子发光效率。具有厚Ga As间隔层的注入结构也会从QW中提供载流子,但是载流子会进入SQDs的浸润层,随后损失到表面态的非辐射复合,额外的非辐射复合过程使得SQDs内量子发光效率降低。(3)构建掩埋量子点(Burried quantum dots,BQDs)载流子注入结构,分别改变SQDs的载流子供给层厚度、双层耦合结构的间隔层厚度和耦合结构中BQDs的层数,定量研究了载流子注入结构的SQDs的收集效率和辐射效率。实验结果表明,随着载流子供给层厚度的增加、间隔层厚度的降低和BQDs的层数增加,SQDs收集效率和内量子发光效率提高,更多载流子填充到表面态并减弱了表面费米能级钉扎效应引起的载流子空间分离,提高了载流子直接跃迁辐射复合的几率。(4)选择在Ga As势垒层中引入Si掺杂层和将Si原子直接掺杂到SQDs两种方式,研究了掺杂电子注入对In Ga As/Ga As表面量子点II型能带发光特性的影响,结果表明Si扩散掺杂能够有效填充In Ga As SQDs的表面态,实现SQDs的II型发光特性到I型发光特性的调控。但是Si直接掺杂不能有效填充In Ga As SQDs的表面态,也未改变SQDs的II型能带发光特征,而且Si掺杂原子对量子点的内建电场及能带弯曲的影响降低了SQDs的发光效率。本论文主要创新点包括构建QW到SQDs的载流子注入结构并定量研究载流子注入效率随间隔层厚度的变化、采用扩散掺杂和直接掺杂调控表面量子点的空间电荷分布和II型能带发光特性。本文研究结果表明,由于表面费米能级钉扎效应导致的载流子空间分离,SQDs表现为II型能带发光特征,选择合适的载流子注入方式可以有效的改善SQDs的载流子动力学和辐射复合效率,这为改善SQDs在表面敏感传感器的应用提供了丰富的实验数据和理论依据。

关键词：表面量子点 ⅱ型能带发光特征载流子注入内量子发光效率光致荧光谱

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