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gaassb/GaAs量子阱激子局域化和激子动力学研究

GaAsSb/GaAs量子阱激子局域化和激子动力学研究

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作者：李航河北大学

学位级别：硕士

gaassb/GaAs半导体量子阱(Quantum well,QW)是一种典型低维材料,已经被广泛应用于开发多种新颖光电子器件,量子阱界面的载流子局域化对相关器件性能带来影响,深入研究gaassb/GaAs量子阱的激子局域化具有重要的物理意义和实际应用价值。... 详细信息

gaassb/GaAs半导体量子阱(Quantum well,QW)是一种典型低维材料,已经被广泛应用于开发多种新颖光电子器件,量子阱界面的载流子局域化对相关器件性能带来影响,深入研究gaassb/GaAs量子阱的激子局域化具有重要的物理意义和实际应用价值。本文利用荧光发射谱(Photoluminescence,PL)、荧光激发谱(Photoluminescence excitation spectrum,PLE)、时间分辨荧光谱(Time-Resolved Photoluminescence,TRPL)等光谱技术系统的研究比较了多种gaassb/GaAs(包括单层量子阱、多量子阱、耦合双量子阱)量子阱的激子局域化特性和光生载流子动力学过程,主要研究和结果包括以下部分:1、对比研究了gaassb/GaAs单量子阱和Ga As Sb块体(Bulk)材料的激子局域化,从光谱轮廓、相对强度、峰值能量等方面阐明二者具有不同的激子局域化机制与和激子辐射复合通道,量子阱中局域激子产生的机制被确定为gaassb/GaAs异质界面引起的局部电势波动,自由激子与局域激子均为II型能带分布界面的间接跃迁辐射复合。在Ga As Sb体材料中则是自由激子的直接跃迁辐射复合与局域激子间接跃迁辐射复合的组合,局域激子来源于富含Sb的团簇对载流子捕获。变温PL谱测量显示,随着温度的升高,自由激子和局域激子与声子相互作用造成异常的双峰演化,PL峰值的最大值对应的能量位置随着温度升高而形成“S”曲线,这是激子局域化的一个主要特征。2、通过改变势阱的宽度和Sb组份,研究了激子局域化对gaassb/GaAs单量子阱荧光特性的影响。依赖于量子阱的Sb组份和阱宽,局域激子能态和自由激子能态具有不同的能态密度分布和载流子填充几率。变激发强度的实验结果表明较高的Sb组份和较窄阱宽带来更明显的载流子局域化效应。随温度变化的PL测量结果表明激子局域化会造成荧光谱峰位随温度的“S”形变化,这一过程依赖于量子阱样品中局域激子相对于自由激子的能态分布和能量差别,较高的Sb组份和较薄的量子阱样品具有较深的局域能级和较大的局域激子密度,“S”形变化特征更为明显。3、研究了gaassb/GaAs多量子阱样品的载流子复合动力学。低温PL测量证明了局域激子和自由激子辐射信号共存。随着温度从10K升高到60K,在局域激子和自由激子之间存在激子的热激发和再布居,而自由激子态在更高的温度下从局域激子态获得载流子,并随后成为主导跃迁。随着温度进一步升高,电子能够克服较小的gaassb/GaAs导带偏移势垒进入Ga As Sb量子阱,与量子阱内分布的空穴产生直接跃迁辐射复合。然后,通过TRPL进一步验证了随着温度的升高,多量子阱样品内的复杂载流子动力学过程不仅包括局域激子和自由激子的竞争和转化,还包括间接跃迁辐射复合到直接跃迁辐射复合的转变。4、研究了gaassb/GaAs双量子阱耦合结构的激子局域化对载流子隧穿的影响。在低温下两个耦合样品都在低能端观察到较强的荧光信号和非常微弱的高能端荧光信号,说明结构内双阱的发光强度极为不平衡,存在由高能态量子阱到低能态量子阱的载流子隧穿,进一步测量发现两个耦合样品中双阱的积分强度比值随着激发强度有不同的变化,这是由于局域激子能级俘获高能态量子阱的载流子,影响双阱的耦合及载流子隧穿。改变温度的PL谱测量结果显示两个双阱耦合样品具有不同的“S”型峰值峰位演化,再次证明局域化能级在双阱耦合结构中可能会改变两个量子阱的耦合强度。以上结果表明在gaassb/GaAs异质结构材料中,量子阱结构、Sb组份、外界温度和激发强度的变化都会对量子阱的激子局域化效应产生影响,最终影响样品的光电特性。论文的主要创新点在于阐明了gaassb/GaAs体材料具有与量子阱不同的激子局域化机制与和激子辐射复合通道,首次揭示了gaassb/GaAs多量子阱材料随着温度升高的“S”特征行为包含从间接跃迁辐射复合到直接跃迁辐射复合的载流子复合通道的转变,首次探索研究了gaassb/GaAs双量子阱耦合结构的激子局域化对空穴隧穿的影响。这些研究结果丰富了对gaassb/GaAs量子阱材料中的激子局域化和载流子动力学特性的认知,为利用gaassb/GaAs半导体量子阱材料设计开发相关的光电器件提供了实验和理论依据。

关键词： gaassb量子阱激子局域化载流子动力学光致荧光谱

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