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红外与毫米波学报 2022年第1期41卷 317-322页

作者：马楠窦程王嫚朱亮清陈熙仁刘锋邵军上海师范大学数理学院上海200234 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083

采用变激发功率红外光致发光(Photoluminescence,PL)光谱方法研究四个不同阱内δ掺杂面密度的GaSb_(0.93)Bi_(0.07)/GaSb单量子阱(Single Quantum Well,SQW)及其非掺杂SQW参考样品。通过分析GaSbBi SQW和GaSb势垒/衬底成分的PL强度演化,发现阱内δ掺杂导致红外辐射效率显著降低,相对下降幅度约为33%-75%。进一步分析结果表明,发光效率下降来源于界面恶化引发的“电子损失”和阱内晶格质量下降导致的“光子损失”的共同作用。这一工作有望为稀Bi红外发光器件的性能优化提供帮助。

关键词：红外光致发光 GaSbBi 发光效率阱内δ掺杂

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阱内δ掺杂GaSb0.93Bi0.07/GaSb单量子阱的光致发光光谱研究

阱内δ掺杂GaSb0.93Bi0.07/GaSb单量子阱的光致发光光谱研究

引用

作者：马楠上海师范大学

学位级别：硕士

光致发光(Photoluminescence,PL)光谱是研究半导体材料发光特性的经典手段,具有非破坏、高灵敏等优点,在分析半导体材料能带结构等方面具有相当大的优势,不但能够揭示半导体的本征光学过程,还可以提供有关材料中的缺陷和杂质信息。所在... 详细信息

光致发光(Photoluminescence,PL)光谱是研究半导体材料发光特性的经典手段,具有非破坏、高灵敏等优点,在分析半导体材料能带结构等方面具有相当大的优势,不但能够揭示半导体的本征光学过程,还可以提供有关材料中的缺陷和杂质信息。所在课题组创新研制的基于傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱仪的宽波段红外调制PL光谱实验系统,具备显著增强的光谱分辨率和信噪比(Signal-to-noise Ratio,SNR)的优点,为半导体材料的光谱获取及准确分析提供有效手段。GaSbBi因其禁带宽度较窄,被认为是2-4微米高性能发光器件的重要材料。与In Ga As/Ga As单量子阱(Single quantum well,SQW)类似,在GaSbBi/GaSbSQW阱内进行δ掺杂,形成近δ电势,将载流子局限在二维掺杂薄层附近,有望进一步延展其发光波长。由于界面结构可能导致的发光波长移动与非均匀展宽,GaSbBi/GaSbSQW的发光效率与δ掺杂面密度的关系还需要进一步探究。目前所报道的稀Bi半导体红外探测器只限于单元探测器,尚未见适用于红外焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)探测器应用报道。因此,揭示δ掺杂对发光效率影响的机制,表征其面内均匀性,可以为GaSbBi基高性能红外发光器件制造和性能优化提供参考。本工作针对阱内δ掺杂GaSbBi/GaSbSQW的红外发光特性问题,基于宽波段红外调制PL光谱实验系统,开展不同阱内δ掺杂面密度的Ga SbBi/Ga Sb单量子阱及其非掺杂SQW参考样品的激发功率、温度依赖、以及面内均匀性的PL光谱分析。取得的研究结果主要表现在以下三方面:(1)室温条件PL光谱分析Te掺杂GaSbBi/GaSbSQW与未掺杂对比样品结果表明,由于掺杂引入的电子局限在阱中,使其能量降低,PL强度降低,所带来的带尾效应拓展了PL峰的半高全宽。过高掺杂面密度还会引起背景杂质的影响。低温PL光谱测试结果表明,材料可以表现出很强的光谱信号;变温PL光谱比对分析各样品特征峰能量、强度、半高全宽随温度的演化,发现Te掺杂对温度稳定性具有一定程度的提升效果。(2)变激发功率红外PL光谱分析GaSbBi/GaSbSQW和Ga Sb势垒/衬底成分发光强度演化发现,阱内δ掺杂导致界面恶化和阱内晶格质量下降,引发“电子损失”和“光子损失”,使红外辐射效率显著降低,相对下降幅度约为33%-75%。(3)低温条件下空间分辨扫描成像PL光谱分析阱内δ掺杂GaSbBi/GaSbSQW发现,掺杂在提高样品的稳定性的同时,也会引入局部缺陷。相关研究进展可为对该体系材料的制备及工艺优化提供参考,为稀Bi红外发光器件的性能优化提供帮助。

关键词：红外光致发光 GaSbBi 阱内δ掺杂发光效率均匀性

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