劉潔2)# 王祿# 孫令2) 王文奇2) 吳海燕2) 江洋 馬紫光王文新 賈海強(qiáng) 陳弘?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2018年4月3日收到;2018年5月3日收到修改稿)

1 引 言

半導(dǎo)體材料中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程是光電探測(cè)器和太陽(yáng)能器件的基礎(chǔ),也一直是半導(dǎo)體材料科學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1?3].包括太陽(yáng)能電池和光伏型光子探測(cè)器在內(nèi)的大部分光伏器件都是利用p-n結(jié)的光伏效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的,這被廣泛應(yīng)用在Si基太陽(yáng)能電池、氮化物太陽(yáng)能電池、GaAs基太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器,以及CdTe薄膜太陽(yáng)能電池,InAsSb、HgCdTe和InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器等[4?8].

對(duì)于太陽(yáng)能電池和光伏型探測(cè)器而言,大的吸收系數(shù)和高效的載流子抽取能力對(duì)于獲得高性能至關(guān)重要[9,10].為了充分吸收光能,太陽(yáng)能電池和光電二極管探測(cè)器通常需要利用較厚的體材料[11].但是厚的異質(zhì)外延層不僅會(huì)增加成本,同時(shí)由于在失配外延過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷,引入非輻射復(fù)合中心,影響了器件的光電效率.這顯著降低了利用半導(dǎo)體材料進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的能力.為了拓展光譜范圍,很多研究者開(kāi)始將低維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光伏型探測(cè)器[12].

低維半導(dǎo)體材料因具有優(yōu)異的物理特性,此前一直被廣泛應(yīng)用于電-光轉(zhuǎn)換器件中,例如發(fā)光二極管和激光器.在光-電轉(zhuǎn)換器件中,由于其厚度相對(duì)較薄,可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變外延,因此在光譜范圍拓展這一問(wèn)題上具有一定優(yōu)勢(shì).但由于量子限制效應(yīng)的存在,如量子阱等低維材料很難應(yīng)用于利用帶間躍遷的光-電轉(zhuǎn)換器件上.這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)半導(dǎo)體物理理論認(rèn)為[11,13],在低維半導(dǎo)體材料中,光生載流子在形成后會(huì)弛豫到基態(tài),由于受到量子限制效應(yīng),光生載流子難以逃離限制勢(shì)壘形成有效的光電流.此外,低維半導(dǎo)體材料的厚度一般較薄,利用有限厚度的低維半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)光吸收也是難題.因此,傳統(tǒng)理論認(rèn)為將低維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于光伏型探測(cè)器領(lǐng)域難以成功.然而,最近發(fā)現(xiàn)InAs/GaSb二類超晶格是一種很有競(jìng)爭(zhēng)性的材料體系,但其暗電流仍然較高,需要制冷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的性能.

對(duì)于光電探測(cè)器而言,工作波長(zhǎng)和暗電流是兩個(gè)衡量探測(cè)器工作水平的重要參數(shù),它們?cè)谄骷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上很難達(dá)到平衡,尤其是對(duì)工作在紅外波段的探測(cè)器更是如此[14,15].探測(cè)器的工作波長(zhǎng)決定于吸收區(qū)材料的帶隙,為了探測(cè)紅外信號(hào),吸收層材料的帶隙應(yīng)較窄.但是窄帶隙的材料會(huì)帶來(lái)較大的熱載流子生成,這會(huì)使得器件的暗電流比可見(jiàn)光探測(cè)器更大[16?19].而且通常工作波長(zhǎng)超過(guò)3μm的探測(cè)器都需要在低溫下工作來(lái)獲得較好的信噪比,但制冷系統(tǒng)增加了整個(gè)器件的尺寸和重量,使成本上升[20?23].半導(dǎo)體低維材料用來(lái)作為長(zhǎng)波長(zhǎng)和低暗電流的探測(cè)器是一種很好的選擇,之前也有大量研究對(duì)此進(jìn)行了嘗試.例如,基于量子阱子帶躍遷的量子阱紅外探測(cè)器(quantum well infrared detector,QWIP)得到了廣泛的研究并取得了較大的進(jìn)展.該器件利用了一維有限深勢(shì)阱中產(chǎn)生的分立的子能級(jí)間躍遷,從束縛態(tài)到準(zhǔn)連續(xù)態(tài)這種工作模式.其中,n類QWIP對(duì)垂直正入射光無(wú)法吸收,p類QWIP雖然可以吸收,但是由于空穴的載流子遷移率較低,傳輸特性和靈敏度受到限制,子帶光電探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是非本征探測(cè)器,器件的量子效率較低[24,25].而利用低維材料的帶間躍遷則可能實(shí)現(xiàn)較好的性能.如果器件的大部分都是寬帶隙材料,可以降低暗電流、減小噪聲,利用量子阱中少部分的窄帶隙材料則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波紅外的吸收.與傳統(tǒng)體材料探測(cè)器相比,在這種結(jié)構(gòu)中,由于窄帶隙材料的厚度減小,熱生成載流子的數(shù)目大幅減少,因此可以實(shí)現(xiàn)暗電流的降低.

但是半導(dǎo)體低維材料帶間躍遷的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的,正如前文提到的,傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理理論認(rèn)為,由于光生載流子只能通過(guò)熱電子發(fā)射和隧穿從局域態(tài)進(jìn)入連續(xù)態(tài)[26?28],所以半導(dǎo)體低維材料中的光生載流子由于勢(shì)壘的存在,大部分被限制在局域態(tài)中,不能有效地進(jìn)入外電路形成光電流,所以器件的外量子效率很低.其次,對(duì)于大部分直接帶隙半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō),帶邊的吸收系數(shù)在103cm?1量級(jí),這就需要吸收層材料的厚度達(dá)到數(shù)微米級(jí)才能完全吸收[29].然而如果進(jìn)行失配外延,只能實(shí)現(xiàn)有限厚度的生長(zhǎng),否則就會(huì)形成失配缺陷,這會(huì)大大影響器件的性能[30?33].

近期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),處于p-n結(jié)耗盡區(qū)中的低維結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效率的光-電轉(zhuǎn)換.本文采用共振激發(fā)光致發(fā)光光譜技術(shù),表征了受限光生載流子的逃逸過(guò)程,測(cè)量結(jié)果包含了熱、輸運(yùn)、弛豫等多個(gè)過(guò)程的貢獻(xiàn).局域載流子反常的高效抽取現(xiàn)象和吸收系數(shù)的增大解決了前文提到的工作波長(zhǎng)和暗電流之間的矛盾,為低維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于光伏領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ),并為高溫工作紅外探測(cè)器的研制提供了一條新的技術(shù)路線.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光主要有兩種激發(fā)模式——非共振激發(fā)和共振激發(fā)[34,35].在非共振激發(fā)情況下,光生載流子不僅在勢(shì)阱中產(chǎn)生,而且還在勢(shì)壘中產(chǎn)生,所以光致發(fā)光熒光強(qiáng)度的變化不僅與勢(shì)阱中的非輻射復(fù)合強(qiáng)度相關(guān),還與載流子在勢(shì)壘中的輸運(yùn)有關(guān).而在共振激發(fā)條件下,光生載流子只在勢(shì)阱中產(chǎn)生,而勢(shì)壘中沒(méi)有光生載流子產(chǎn)生.因此,在共振激發(fā)條件下,若忽略非輻射復(fù)合的影響,在開(kāi)/短路條件下光致發(fā)光熒光強(qiáng)度的變化直接反映出在短路時(shí)光生載流子由局域態(tài)能級(jí)進(jìn)入連續(xù)態(tài)的能力,如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1.Schematic diagram of experimental principle.

為了進(jìn)一步探索半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的共振激發(fā)光生載流子光致發(fā)光光譜在短路條件下的淬滅現(xiàn)象,測(cè)量了不同入射光功率時(shí)開(kāi)路和短路條件下光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度的變化情況.此后,測(cè)量了器件開(kāi)路電壓和短路電流隨激發(fā)光功率的變化,得到此種結(jié)構(gòu)器件的工作模式.

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

InAs/GaAs多量子點(diǎn)樣品在VG V80H的分子束外延系統(tǒng)上生長(zhǎng)而成.具有p-n結(jié)和n-n結(jié)的量子點(diǎn)樣品生長(zhǎng)在半絕緣GaAs襯底上,樣品A在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)10個(gè)周期的InAs量子點(diǎn),由50 nm GaAs隔開(kāi),兩側(cè)是n-n結(jié).樣品B本征區(qū)結(jié)構(gòu)與樣品A一樣,只是兩側(cè)電極為p-n結(jié).兩個(gè)樣品的微觀結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2(a)和圖2(b).

InGaAs/GaAs多量子阱樣品C生長(zhǎng)在半絕緣GaAs襯底上,GaAs p-n結(jié)中插入了20個(gè)周期的InGaAs量子阱結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(c).

在實(shí)驗(yàn)室自主搭建的熒光光譜設(shè)備上進(jìn)行低溫?zé)晒鉁y(cè)試.熒光測(cè)試系統(tǒng)包括:半導(dǎo)體紅外激光器、聲光可調(diào)濾光器型近紅外光譜儀、金屬膜衰減片、平凸透鏡組件、斬波器、氦氣循環(huán)制冷可控溫杜瓦樣品平臺(tái)、光譜儀、光電探測(cè)器、SR830鎖相放大器、測(cè)試軟件等設(shè)備.樣品引出電極用縮醛膠粘到控溫冷頭上,機(jī)械泵抽真空,溫控儀和液氦壓縮機(jī)調(diào)節(jié)樣品溫度,漸變金屬膜衰減片調(diào)節(jié)激發(fā)激光功率密度.

光電流測(cè)試亦是采用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的測(cè)試系統(tǒng),包括:半導(dǎo)體紅外激光器、金屬膜衰減片、平凸透鏡組件、Keithley4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀等.

圖2 器件結(jié)構(gòu)示意圖[36] (a)具有n-n結(jié)的InAs/GaAs多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu);(b)具有p-n結(jié)的InAs/GaAs多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu);(c)InGaAs/GaAs多量子阱原型器件結(jié)構(gòu)Fig.2.Schematic of samples[36]:(a)InAs/GaAs multilayer quantum dots(QDs)structure within n-type and n-type GaAs;(b)InAs/GaAs multilayer quantum dots structure within n-type and p-type GaAs;(c)InGaAs/GaAs multilayer quantum well(QW)prototype photon detector.

3 結(jié)果與分析

3.1 具有n-n結(jié)多層InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的載流子輸運(yùn)特性

樣品A含有10個(gè)周期InAs/GaAs量子點(diǎn)的n-n結(jié)結(jié)構(gòu).在150 K條件下,分別在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下,用波長(zhǎng)為915 nm的激光照射,測(cè)試其共振激發(fā)光致發(fā)光光譜.圖3(a)是樣品A在150 K條件下,915 nm激發(fā)波長(zhǎng)、激發(fā)光功率為65 mW時(shí)開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下的光致發(fā)光光譜.通過(guò)高斯擬合,InAs量子點(diǎn)光致發(fā)光光譜的半高全寬約為72.6 meV,符合量子點(diǎn)大小分布非均勻展寬特性.相比于樣品A在開(kāi)路條件下的結(jié)果,在外加0.7 V偏壓條件下,共振激發(fā)的光致發(fā)光光譜的積分強(qiáng)度降低了7.3%,由于量子限制斯塔克效應(yīng),峰位紅移了2 nm,峰位的紅移也證明了外加偏壓已經(jīng)加到了量子點(diǎn)上.圖3(b)是樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下改變?nèi)肷浼す夤β?其光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度和峰位的變化情況.樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下光致發(fā)光光譜的積分強(qiáng)度隨激發(fā)功率呈線性變化.當(dāng)激發(fā)功率從60 mW降低到5 mW,在0.7 V偏壓下的光致發(fā)光光譜強(qiáng)度與開(kāi)路條件下強(qiáng)度的比例從90%降低到65%.隨著激光功率的增加,樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下光致發(fā)光光譜峰位藍(lán)移.這是由于隨著激光功率增加,量子點(diǎn)中的能帶填充效應(yīng)引起的.圖3(c)是樣品A在變功率開(kāi)路條件下的光致發(fā)光光譜;圖3(d)是樣品A在外加0.7 V偏壓條件下,光致發(fā)光光譜隨激發(fā)激光功率的變化.

樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓的條件下,光致發(fā)光光譜強(qiáng)度變化較小,符合經(jīng)典半導(dǎo)體物理理論,量子點(diǎn)中共振激發(fā)的光生載流子由于量子限制效應(yīng)不能逃逸出量子點(diǎn)勢(shì)阱而傾向于進(jìn)行輻射復(fù)合發(fā)光.

圖3 樣品A在150 K,波長(zhǎng)915 nm激光共振激發(fā)下的光致發(fā)光光譜[36,37] (a)樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下的光致發(fā)光光譜;(b)樣品A在開(kāi)路和外加0.7 V偏壓條件下不同激發(fā)光功率時(shí)的光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度和峰位變化情況;(c)樣品A在開(kāi)路條件下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率的變化情況;(d)樣品A在外加0.7 V偏壓下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率的變化情況Fig.3.The photoluminescence(PL)spectra of sample A under resonant excitation at the wavelength of 915 nm at 150 K[36,37]:(a)The PL spectra of sample A measured for the open-circuit condition and with a 0.7 V bias respectively;(b)excitation-power-dependent PL integrated intensity and peak wavelength of the PL spectrum for the open-circuit and 0.7 V bias conditions;(c)excitation-power-dependent PL of sample A for the open-circuit condition;(d)excitation-power-dependent PL of sample A under 0.7 V bias conditions.

3.2 具有p-n結(jié)多層InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的載流子輸運(yùn)特性

樣品B是含有10個(gè)周期InAs/GaAs量子點(diǎn)的p-n結(jié)結(jié)構(gòu).本征耗盡區(qū)結(jié)構(gòu)與樣品A相同,區(qū)別是樣品B具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu),樣品示意圖見(jiàn)圖2(b).

測(cè)試了樣品B在開(kāi)路和短路條件下的共振激發(fā)光致發(fā)光光譜.圖4(a)是樣品B在150 K、激發(fā)功率為65 mW、短路和開(kāi)路下的共振激發(fā)光致發(fā)光光譜.從圖4(a)可以看出,在共振激發(fā)條件下,樣品B在開(kāi)路條件下光致發(fā)光光譜強(qiáng)度高,峰形好,與樣品A在開(kāi)路條件下相似.但是當(dāng)在杜瓦外面將樣品B的p電極和n電極引出的線路短接時(shí),樣品B的共振激發(fā)光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅下降,降低到開(kāi)路條件下的12%,這意味著InAs量子點(diǎn)中大約有88%的共振激發(fā)光生載流子沒(méi)有參與輻射復(fù)合發(fā)光.在波長(zhǎng)為915 nm、功率為65 mW的激光照射下,樣品B的光生開(kāi)路電壓約為0.57 V,而樣品A的外加偏壓為0.7 V,略高于樣品B的開(kāi)路電壓,但是在無(wú)p-n結(jié)的樣品A中沒(méi)有發(fā)生類似于樣品B中的光致發(fā)光光譜強(qiáng)度下降這一現(xiàn)象.

圖4 樣品B在150 K,波長(zhǎng)915 nm激光共振激發(fā)下的光致發(fā)光光譜[36] (a)樣品B在開(kāi)路和短路條件下的光致發(fā)光光譜;(b)樣品B在開(kāi)路和短路條件下不同激發(fā)光功率下的光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度和峰位變化情況;(c)樣品B在開(kāi)路條件下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率的變化情況;(d)樣品B在短路條件下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率的變化情況;(e)樣品B的短路電流和開(kāi)路電壓隨激發(fā)光功率的變化情況;(f)樣品B外電路中加入不同阻值電阻,光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度與電流的關(guān)系Fig.4.The PL spectra of sample B under resonant excitation at the wavelength of 915 nm at 150 K[36]:(a)The PL spectra of sample B measured for the open-and short-circuit conditions respectively;(b)excitation-powerdependent PL integrated intensity and peak wavelength of the PL spectrum for the open-and short-circuit conditions;(c)excitation-power-dependent PL of sample B for the open-circuit condition;(d)excitation-power-dependent PL of sample B for the short-circuit condition;(e)excitation-power-dependent open-circuit voltage(Voc)and shortcircuit current(Jsc)at 150 K;the Jscis proportional to the incident light intensity,and the Vocis proportional to the logarithm of the incident light intensity;(f)inversely linearly related circuit current and PL intensity of sample B under a 65-mW excitation power at 150 K.

為了進(jìn)一步探索樣品B InAs量子點(diǎn)共振激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在短路條件下的淬滅現(xiàn)象,我們使入射激光功率從5 mW到60 mW之間均勻變化,測(cè)試其開(kāi)路和短路條件下光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度和峰位的變化情況,如圖4(b)所示.從圖4(b)可以看出,樣品B在開(kāi)路條件下,隨著激發(fā)功率從5 mW增加到60 mW,光致發(fā)光光譜積分強(qiáng)度基本呈線性增加.但是,在短路條件下,光致發(fā)光光譜強(qiáng)度呈拋物線增加.隨著激發(fā)功率的增加,樣品B在短路條件下的光譜積分強(qiáng)度與開(kāi)路條件下的積分強(qiáng)度的比值從5%增加到11.6%.這表明樣品B在短路條件下的光致發(fā)光光譜淬滅現(xiàn)象于不同功率激發(fā)條件下普遍存在.圖4(c)是樣品B在開(kāi)路條件下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率變化情況.圖4(d)是樣品B在短路條件下光致發(fā)光光譜隨激發(fā)光功率變化情況.

為了探索樣品短路條件下沒(méi)有參與輻射復(fù)合發(fā)光的那部分共振激發(fā)光生載流子的去向,在915 nm激光照射下測(cè)試了樣品B隨入射激光功率增加時(shí)的開(kāi)路電壓和短路電流變化情況,如圖4(e)所示.從圖4(e)可以看出,樣品B的短路電流Jsc隨著入射激光功率的增加呈線性增加,而開(kāi)路電壓Voc與入射激光功率的增加呈對(duì)數(shù)關(guān)系.對(duì)于帶隙為Eg的p-n結(jié)太陽(yáng)能電池,光電流為

從(1)式可以看出,光電流與入射光通量成正比.在本實(shí)驗(yàn)中,光電流,即樣品B的短路電流與入射激光強(qiáng)度呈線性關(guān)系.p-n結(jié)太陽(yáng)能電池光照下的典型I-V特性,開(kāi)路電壓為

其中,IS是飽和電流,與p-n結(jié)摻雜和材料帶隙有關(guān).可以認(rèn)為樣品B中的飽和電流是固定值,開(kāi)路電壓與光電流呈對(duì)數(shù)關(guān)系.由于上面算出光電流與入射光功率成正比,可依此推算出p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓與入射光功率呈對(duì)數(shù)關(guān)系.從圖4(e)可以看出,樣品B在915 nm激光共振激發(fā)下,短路電流和開(kāi)路電壓隨光功率的變化遵循經(jīng)典p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的I-V特性.但是按照經(jīng)典半導(dǎo)體理論,量子點(diǎn)具有三維量子限制效應(yīng),共振激發(fā)的載流子不能逃逸出載流子而傾向于進(jìn)行輻射復(fù)合發(fā)光.該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與之前的理論相悖.

為了得到光生載流子的逃逸路線,我們將一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)到樣品B的電路中,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器電阻,改變整個(gè)電路的電流,測(cè)試其共振激發(fā)熒光強(qiáng)度變化,如圖4(f)所示.從圖4(f)可以看出,短路電流和光致發(fā)光熒光強(qiáng)度呈線性負(fù)相關(guān).根據(jù)以上結(jié)果可以推斷出從InAs量子點(diǎn)中逃逸的共振激發(fā)光生載流子主要用于產(chǎn)生光電流,這預(yù)示著具有p-n結(jié)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器.

從以上實(shí)驗(yàn)可以看出,在短路條件下,樣品B量子點(diǎn)中共振激發(fā)的光生載流子直接逃逸出量子點(diǎn)產(chǎn)生光伏效應(yīng).然而,在n-n結(jié)的樣品A通過(guò)加0.7 V外偏壓模擬樣品B的內(nèi)建電場(chǎng),但是量子點(diǎn)中共振激發(fā)的光生載流子傾向于弛豫到基態(tài)進(jìn)行輻射復(fù)合.因?yàn)闃悠稟和樣品B具有相同的勢(shì)壘高度和厚度,所以熱電子發(fā)射和隧穿理論不能用來(lái)解釋共振激發(fā)載流子從量子點(diǎn)中逃逸出電路形成電流這種現(xiàn)象[28,38?40].

3.3 逃逸機(jī)理分析

我們通過(guò)計(jì)算和比較載流子漂移出量子點(diǎn)的時(shí)間和弛豫回基態(tài)的時(shí)間來(lái)估算量子點(diǎn)中共振激發(fā)載流子直接逃逸出量子點(diǎn)而不弛豫到基態(tài)輻射復(fù)合發(fā)光的概率.根據(jù)文獻(xiàn)[41]中的描述,量子點(diǎn)中激發(fā)態(tài)電子弛豫到基態(tài)大約有幾百皮秒.而樣品B在短路條件下,分辨出量子點(diǎn)中激發(fā)態(tài)自由載流子渡越出量子點(diǎn)還是弛豫到基態(tài)能級(jí)對(duì)于解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常重要.自由激發(fā)態(tài)載流子渡越出耗盡區(qū)的量子點(diǎn)的時(shí)間為

其中,h表示量子點(diǎn)的高度,v表示電子或者空穴的漂移速度.電子在InAs和GaAs中的遷移率都大于2000 cm2·V?1·s?1, 空穴遷移率大于100 cm2·V?1·s?1[42]. 經(jīng)過(guò)計(jì)算, 電子或者空穴逃逸出量子點(diǎn)的時(shí)間在飛秒量級(jí).因此共振激發(fā)的激發(fā)態(tài)自由載流子逃逸出量子點(diǎn)而不是弛豫回基態(tài)進(jìn)行復(fù)合發(fā)光,是存在時(shí)間上的可能性.

對(duì)于樣品A,當(dāng)外加一個(gè)偏壓在量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)上時(shí),本征區(qū)中電場(chǎng)分布是均勻的,載流子漂移速率與電場(chǎng)和載流子遷移率成比例.電子的遷移率比空穴的遷移率高,導(dǎo)致電子的漂移速率大于空穴的漂移速率,從而導(dǎo)致了過(guò)量的空穴聚集在器件本征區(qū)形成一個(gè)大的正電場(chǎng),阻止了后續(xù)載流子逃逸,即產(chǎn)生了庫(kù)侖阻塞效應(yīng).然而,對(duì)于樣品B,在耗盡區(qū),電場(chǎng)隨著結(jié)的距離線性增加,達(dá)到最大值后線性減小,最后減小為零.電場(chǎng)的斜率可以通過(guò)調(diào)節(jié)p區(qū)或者n區(qū)的摻雜濃度來(lái)調(diào)節(jié),如圖5所示.p-n結(jié)可以調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布來(lái)使空穴充分被抽取走,達(dá)到一個(gè)較好的電中性條件.p-n結(jié)的這種獨(dú)特性質(zhì)緩解了庫(kù)侖阻塞效應(yīng),使量子點(diǎn)中的載流子持續(xù)逃逸到外電路中.

圖5 樣品A和樣品B中本征區(qū)的電場(chǎng)分布[37]Fig.5.Distribution of the electric field of intrinsic region of sample A and sample B[37].

盡管p-n結(jié)中受限光生載流子逃逸的清晰物理圖像尚未建立,但仍有必要對(duì)其光電轉(zhuǎn)換能力進(jìn)行評(píng)估.在樣品B中,當(dāng)入射激光功率為65 mW時(shí),實(shí)測(cè)短路電流為2.82 mA,因此光電轉(zhuǎn)換效率為5.9%,計(jì)算得到10層InAs量子點(diǎn)吸收系數(shù)約為104cm?1.我們?cè)谟?jì)算吸收系數(shù)時(shí)沒(méi)有減去反射的入射光,并且認(rèn)為p-n結(jié)的載流子抽取效率為100%,因此實(shí)際的吸收系數(shù)應(yīng)大于該數(shù)值.盡管如此,104cm?1的數(shù)值仍遠(yuǎn)大于理論計(jì)算得到的量子點(diǎn)材料的光吸收系數(shù)(約100 cm?1)[43,44],并接近于GaAs體材料在其帶隙處的吸收系數(shù)[45].考慮到零維半導(dǎo)體材料低的態(tài)密度和局域態(tài)波函數(shù),我們認(rèn)為p-n結(jié)的加入增加了InAs量子點(diǎn)的吸收系數(shù),證明量子點(diǎn)可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器.

根據(jù)以上結(jié)果,我們提出了一個(gè)可能的模型來(lái)解釋上述現(xiàn)象.具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)中在短路條件下的光生載流子的終態(tài)是自由激發(fā)態(tài),在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下直接逃逸出量子點(diǎn)進(jìn)入勢(shì)壘導(dǎo)帶,進(jìn)而流入外電路形成短路電流,如圖6(b)所示.在樣品A中,具有n-n結(jié)的外加偏壓下,量子點(diǎn)中的光生載流子弛豫到基態(tài)進(jìn)行輻射復(fù)合發(fā)光,而沒(méi)有流出外電路,如圖6(a)所示.

根據(jù)量子力學(xué)的微擾理論,吸收系數(shù)與態(tài)密度和載流子終態(tài)的波函數(shù)有關(guān)[46],在量子點(diǎn)中,載流子的終態(tài)應(yīng)該是局域態(tài)的基態(tài).但是,在本實(shí)驗(yàn)中,具有p-n結(jié)的量子點(diǎn)在短路條件下的終態(tài)卻是自由態(tài).這種物理屬性的改變?cè)黾恿司哂衟-n結(jié)的量子點(diǎn)在短路條件下的吸收系數(shù),在這種情況下,不能認(rèn)為吸收系數(shù)是一個(gè)常數(shù),這對(duì)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和探測(cè)器具有很重要的啟示.

圖6 InAs量子點(diǎn)中光子吸收和載流子輸運(yùn)模型[36] (a)樣品A外加0.7 V偏壓時(shí),InAs量子點(diǎn)的光子吸收和載流子輸運(yùn)過(guò)程;(b)樣品B在短路條件下,InAs量子點(diǎn)的光子吸收和載流子輸運(yùn)過(guò)程Fig.6.Sketch of the photon absorption and carrier transportation processes of InAs quantum dots embedded in GaAs with a p-n junction[36]:(a)Schematic diagram of the established photon absorption and carrier transportation processes;(b)schematic diagram of the new photon absorption and carrier transportation processes.

3.4 具有p-n結(jié)多層InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)增強(qiáng)特性

在具有p-n結(jié)的InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)短路條件下,光致發(fā)光光譜發(fā)生淬滅,同時(shí)測(cè)量短路電流,推斷在短路條件下量子點(diǎn)中共振激發(fā)光生載流子不弛豫到基態(tài)進(jìn)行輻射復(fù)合,而是逃逸出外電路,估算該結(jié)構(gòu)在短路條件下吸收系數(shù)增加,可達(dá)104cm?1.InAs量子點(diǎn)吸收系數(shù)的增加表明在太陽(yáng)能電池和光電二極管探測(cè)器方面具有廣闊的應(yīng)用前景.探測(cè)器主要是在反偏條件下探測(cè)光電轉(zhuǎn)換.為了測(cè)量樣品B在外加偏壓下吸收系數(shù)和外加偏壓的關(guān)系,我們測(cè)量了樣品的透射光.激光器入射光線與樣品垂直平分面呈30?,同時(shí)用兩個(gè)功率計(jì)測(cè)試反射光和透射光,改變外加偏壓,同時(shí)測(cè)量透射光功率和外電流的變化,測(cè)試結(jié)果如圖7所示.半導(dǎo)體中的吸收系數(shù)和透射光功率的關(guān)系為[46]

圖7 (a)樣品B的光電流和暗電流譜;(b)樣品A的光電流和暗電流譜[37]Fig.7.(a)Current-bias curves of InGaAs/GaAs quantum well photo diode measured under 915 nm illumination and dark condition of sample B;(b)currentbias curves of InGaAs/GaAs quantum well photo diode measured under 915 nm illumination and dark condition of sample A[37].

其中,λ是入射激光的波長(zhǎng),Sn是能量為E附近|0,n?每單位能量的態(tài)密度,c是光速.如果樣品B在短路條件下,InAs量子點(diǎn)的能級(jí)處于連續(xù)態(tài)而不是局域態(tài),態(tài)密度Sn會(huì)變大,進(jìn)而增加吸收系數(shù).

圖8 (a)In0.2Ga0.8As/GaAs多量子阱樣品在開(kāi)路和短路下的光致發(fā)光光譜;(b)In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱樣品在開(kāi)路和短路下的光致發(fā)光光譜;(c)In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As/InP復(fù)合多量子阱樣品在開(kāi)路和短路下的光致發(fā)光光譜[47,48]Fig.8.(a)The PL spectra of In0.2Ga0.8As/GaAs multiple quantum well structure under open-and short-circuitconditionsrespectively; (b)thePL spectra of In0.15Ga0.85N/GaN multiple quantum well structure under open-and short-circuit conditions respectively; (c) the PL spectra of In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As/InP compositemultiple quantum wellstructure underopen-and short-circuit conditions respectively[47,48].

光電二極管型探測(cè)器主要是在外加反向偏壓下工作,圖7(a)和圖7(b)分別是樣品A和樣品B在915 nm激光照射下的光電流I-V圖和暗電流I-V圖.對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可以看出,樣品B在反偏條件下吸收系數(shù)和凈光電流大,暗電流小,信噪比高.因此具有p-n結(jié)的InAs量子點(diǎn)在近紅外探測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景.

3.5 實(shí)用性驗(yàn)證:普適性和重復(fù)性

除了在InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)光生載流子高效抽取現(xiàn)象,我們還在In0.2Ga0.8As/GaAs量子阱和In0.15Ga0.85N/GaN量子阱以及In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As/InP量子阱中得到了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖8(a)—(c)所示.

在含有p-n結(jié)的In0.2Ga0.8As/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)中,我們觀察到87.3%的光生載流子通過(guò)p-n結(jié)從量子阱中逃逸出來(lái)形成光電流而非弛豫到量子阱的基態(tài)能級(jí);在In0.15Ga0.85N/GaN量子阱中,超過(guò)95%的光生載流子形成光電流而不是輻射復(fù)合發(fā)光;在In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As/InP量子阱結(jié)構(gòu)中,則是有62%的光生載流子逃逸出量子阱.以上的結(jié)果表明,p-n結(jié)中低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中光生載流子高效抽取現(xiàn)象在各種材料體系中是普遍存在的,具有普適性和重復(fù)性.

3.6 實(shí)用性驗(yàn)證:InGaAs/GaAs帶間躍遷量子阱紅外探測(cè)器原型器件

利用p-n結(jié)中低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)載流子高效抽取現(xiàn)象,制備了帶間躍遷量子阱紅外探測(cè)器(interband transition quantum well infrared detector,IQWIP)原型,其器件結(jié)構(gòu)如圖2(c)和圖9所示.20個(gè)周期的In0.2Ga0.8As/GaAs多量子阱插于GaAs p-n結(jié)中,光致發(fā)光熒光譜和響應(yīng)光譜如圖10所示,光致發(fā)光峰位于956 nm處,位于肩部869 nm處的峰是GaAs體材料的峰.從響應(yīng)光譜中可以看出,位于GaAs體材料吸收峰長(zhǎng)波方向的是InGaAs量子阱的吸收峰,吸收峰相對(duì)熒光峰有明顯的藍(lán)移.不同光照強(qiáng)度下的電流電壓曲線和不同光功率密度下的量子效率如圖11(a)和圖11(b)所示.在無(wú)表面減反射膜的實(shí)驗(yàn)條件下,利用僅100 nm的有效吸收厚度實(shí)現(xiàn)了31%的外量子效率;實(shí)測(cè)表面反射率為40%—50%,故實(shí)際量子效率水平接近60%.基于該數(shù)值推算得到量子阱的光吸收系數(shù)達(dá)到3.7×104cm?1,該數(shù)值高于傳統(tǒng)透射實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一個(gè)數(shù)量級(jí).

圖9 光學(xué)顯微鏡下器件形貌圖Fig.9.Morphology of the device under optical microscope.

圖10 InGaAs/GaAs多量子阱原型器件光致發(fā)光熒光譜和響應(yīng)光譜[49]Fig.10.The PL spectra and response spectra of In-GaAs/GaAs multiple quantum well prototype[49].

根據(jù)原有的理論,低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)載流子的抽取效率低,吸收系數(shù)較小,在光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用的性能較差.而我們的實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)在低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)外加優(yōu)化的p-n結(jié),可以實(shí)現(xiàn)大于90%的抽取效率,吸收系數(shù)大于相應(yīng)的體材料,可以很好地用于光電轉(zhuǎn)換.

3.7 實(shí)用性驗(yàn)證:InAsSb/GaSb IQWIP原型器件

擴(kuò)展波長(zhǎng)短波紅外和中波紅外探測(cè)器由于暗電流較大,通常需要工作在低溫下,利用p-n結(jié)中載流子的高效抽取效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了基于InAsSb/GaSb材料的帶間躍遷擴(kuò)展波長(zhǎng)短波紅外量子阱探測(cè)器,在室溫下性能優(yōu)異.

圖11 (a)不同光照強(qiáng)度下的電流電壓曲線;(b)不同光功率密度下的量子效率[49]Fig.11. Illumination powerdependenton the(a)current-bias curve and(b)quantum efficiency of the In0.2Ga0.8As/GaAs quantum well photodiode[49].

10個(gè)周期的InAs0.91Sb0.09/GaSb多量子阱置于GaSb p-n結(jié)中,器件結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示.通過(guò)計(jì)算得到5 nm厚的InAs0.91Sb0.09量子阱的帶隙約為0.53 eV(2.35μm),可以覆蓋從短波紅外到長(zhǎng)波紅外的整個(gè)波段.此器件有較窄的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍,從2μm到2.3μm,在2.1μm處達(dá)到峰值,如圖12(b),左側(cè)1.87μm處是GaSb勢(shì)壘的吸收峰;而右側(cè)位于2.1μm處的峰對(duì)應(yīng)于InAsSb量子阱帶間躍遷.

器件的變溫暗電流譜如圖12(c)所示.當(dāng)溫度從300 K降低到200 K時(shí),暗電流隨溫度迅速減小,這是由于擴(kuò)散電流被抑制引起的.溫度繼續(xù)降低,暗電流減小緩慢,這是因?yàn)闇囟鹊陀?00 K后,產(chǎn)生復(fù)合電流成為主要的暗電流源.

在無(wú)減反膜的條件下,其峰值響應(yīng)度在?500 mV時(shí)為0.4 A/W,對(duì)應(yīng)量子效率為23.8%.300 K時(shí),?400 mV和零偏的暗電流分別為6.05×10?3A/cm2和3.25×10?5A/cm2,峰值探測(cè)率出現(xiàn)在零偏條件下,為6.91×1010cm·Hz1/2·W?1. 這個(gè)結(jié)果已經(jīng)優(yōu)于目前大部分的III/V族紅外探測(cè)器,并與HgCdTe探測(cè)器性能相當(dāng),如果繼續(xù)優(yōu)化材料,可以期待有更好的性能.

圖12 (a)InAs0.91Sb0.09/GaSb多量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖;(b)InAs0.91Sb0.09/GaSb多量子阱紅外探測(cè)器樣品的響應(yīng)光譜;(c)InAs0.91Sb0.09/GaSb紅外探測(cè)器樣品的變溫暗電流曲線[50]Fig.12.(a)Schematic diagram of the InAs0.91Sb0.09/GaSb QWs photodetector;(b)typical normalized relative photocurrent spectral response curves of InAs0.91Sb0.09/GaSb QWs;(c)dark current densities versus applied bias voltage of the photodetector for di ff erent temperatures[50].

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)上在多種材料體系中均觀察到p-n結(jié)中受限光生載流子的反常高效抽取效率和反常吸收系數(shù)增加兩個(gè)現(xiàn)象,利用該現(xiàn)象研制了近紅外900 nm波段工作原型器件,計(jì)算得到的吸收系數(shù)達(dá)到3.7×104cm?1,比先前報(bào)道的高一個(gè)數(shù)量級(jí).利用p-n結(jié)對(duì)載流子高效抽取效應(yīng),設(shè)計(jì)了新型IQWIP器件并進(jìn)行了近紅外波段的原型器件驗(yàn)證.在IQWIP器件中,實(shí)現(xiàn)了保持較低暗電流水平的同時(shí)將響應(yīng)波長(zhǎng)增大,且在拓展的波段范圍仍具有較好的量子效率.盡管目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅為近紅外波段,但利用GaSb基窄禁帶半導(dǎo)體材料或HgCdTe材料,有望將器件的工作波長(zhǎng)拓展至中波紅外范圍.此外,由于IQWIP的新穎工作原理和特殊的結(jié)構(gòu)特征,該器件還有望實(shí)現(xiàn)新型高性能光電晶體管、低成本高性能太陽(yáng)能電池等器件.

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