1 中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州 215123
3 昆山杜克大学自然与应用科学学部, 江苏 昆山 215316
金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备InGaN/GaN多量子阱结构时, 在GaN势垒层生长的N2载气中引入适量H2, 能够有效改善阱/垒界面质量从而提升发光效率。 本工作利用光致发光(PL)光谱技术, 对蓝光激光器结构中的InGaN/GaN多量子阱的发光性能进行了精细的光谱学测量与表征, 研究了通H2生长对量子阱界面的调控效应及其发光效率提升的物理机制。 室温PL光谱结果显示, GaN势垒层生长载气中引入2.5%的H2使InGaN/GaN多量子阱的发光效率提升了75%、 发光峰的峰位蓝移了17 meV、 半峰宽(FWHM)减小了10 meV。 通过功率依赖的PL光谱特征分析, 我们对InGaN/GaN量子阱中的量子限制Stark效应(QCSE)和能带填充(Band Filling)效应进行了清晰的辨析, 发现了发光峰峰位和峰宽的光谱特征主要受QCSE效应影响, H2的引入能够大幅度降低QCSE效应, 并且确定了QCSE效应被完全屏蔽情况下的发光峰能量为2.75 eV。 温度依赖的PL光谱数据揭示了通H2生长量子阱结构中显著减弱的载流子局域化行为, 显示界面质量提高有效降低了限制势垒的能量波动, 从而导致更窄的发光峰半峰宽。 PL光谱强度随温度的变化规律表明, 通H2生长并不改变量子阱界面处的非辐射复合中心的物理本质, 却能够显著减少非辐射复合中心的密度, 有助于提升量子阱的发光效率。 通过时间分辨PL光谱分析, 发现通H2生长会导致量子阱结构中更短的载流子辐射复合寿命, 但不影响非辐射复合寿命。 载流子复合寿命的变化特征进一步确认了通H2生长对量子阱结构中QCSE效应和非辐射复合中心的影响规律。 综合所有PL光谱分析结果, 我们发现通H2生长能够提高InGaN/GaN多量子阱的界面质量、 显著减弱应力效应(更弱的QCSE效应)、 降低限制势垒的能量波动以及减少界面处非辐射复合中心的密度, 从而显著提升量子阱的发光效率。 该研究工作充分显示了PL光谱技术对半导体量子结构发光性能的精细表征能力, 光谱分析结果能够为InGaN/GaN多量子阱生长提供有价值的参考。
InGaN/GaN多量子阱 光致发光光谱 量子限制Stark效应 载流子局域化 载流子复合寿命 InGaN/GaN MQWs Photoluminescence spectroscopy Quantum-confined Stark effect Carrier localization Carrier recombination lifetime 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1179
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 邵阳学院电气工程学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000
3 武汉飞思灵微电子技术有限公司，湖北 武汉 430040
硅基光子集成技术在众多领域已经取得了重大突破，但目前唯一能实现全部硅基集成有源器件且与互补金属氧化物半导体工艺兼容的材料是锗硅材料体系。Ge/SiGe多量子阱作为硅基光调制器在硅芯片上能实现短距离光互连，基于量子限制斯塔克效应的Ge/SiGe多量子阱调制器具有低功耗、低偏压、高速率的优点。总结了基于Ge/SiGe多量子阱调制器的研究现状和进展，讨论对比了Ge/SiGe多量子阱调制器的消光比、光损耗、偏置电压、电场、光调制器的调制带宽、暗电流等性能参数，展望了Ge/SiGe多量子阱调制器在集成光子学中的发展方向和面临的挑战。
光学器件 硅基光子学 SiGe调制器 Ge/SiGe多量子阱 量子限制斯塔克效应 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1900003
1 太原理工大学, 新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 太原 030024
2 太原理工大学轻纺工程学院, 太原 030024
3 陕西科技大学, 材料原子·分子科学研究所, 西安 710021
使用金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)方法生长了三个具有不同垒层温度的InGaN/GaN量子阱。由于高密度V型坑的形成, 完整的量子阱结构被破坏, 转变成了InGaN量子点(quantum dots, QDs)/量子阱(quantum well, QW)复合结构。通过变功率光致发光谱和变温光致发光谱, 分析了在不同的垒层温度下量子限制斯塔克效应(quantum confined Stark effect, QCSE)、非辐射复合中心密度和载流子局域化效应的变化。结果表明: 在较低的垒层温度下, QCSE较弱, 因为在较低的温度下, V型坑的深度较深, 应力释放较明显, 残余应变较低; 非辐射复合中心密度也随着温度的升高而逐渐增大; 样品的内量子效率(internal quantum efficiency, IQE)随着垒层生长温度的升高而降低。QCSE的增强和非辐射复合中心密度的增大是垒层生长温度升高时内量子效率下降的主要因素。
量子点/量子阱复合结构 V型坑 量子限制斯塔克效应 非辐射复合中心 内量子效率 金属有机化学气相沉积 quantum dot/quantum well hybrid structure V-shaped pit QCSE nonradiative recombination center IQE MOCVD
湖北文理学院 物理与电子工程学院, 湖北 襄阳 441053
为了减弱InGaN/GaN量子阱内的压电极化场, 在蓝紫光InGaN/GaN多量子阱激光器结构中采用了预应变InGaN插入层, 通过变温电致发光和高分辨X射线衍射测量研究了预应变插入层对量子阱晶体质量和发光特性的影响。实验结果显示, 常温下有预应变层的量子阱电致发光谱积分强度显著提高。模拟计算进一步表明, 预应变层对量子阱内压电极化场有调制效果, 有利于量子阱中的应力弛豫, 可以有效减弱量子限制斯塔克效应, 有助于提高量子阱的发光效率。
量子阱 预应变 极化电场 电致发光 量子限制斯塔克效应 quantum well prestrain piezoelectric field electroluminescence QCSE
河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定 071000
为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用, 本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术, 低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示, 通过调整nc-SiOx层的厚度, 实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明, nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明, 多层结构发光表现为一个固定于1.19 eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰, 其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光, 发光衰减寿命约在4.6 μs, 峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光, 对应两个发光衰减过程, 其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9 μs增加到16.5 μs, 快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明, 薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。
纳米硅氧多层薄膜 微观结构 能带特征 光致发光 量子限制效应 silicon oxide multilayer films microstructure energy band photoluminescence quantum confinement effect
量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是一种基于半导体耦合量子阱子带间电子跃迁的单极性半导体激光器,其特点、优势为：工作波长由耦合量子阱子带间距决定、可实现波长的大范围剪裁(2.65~300 μm); 有源区由多级耦合量子阱模块串接组成,可实现单电子注入的倍增光子输出而获得大功率; QCL的受激发射过程是发生在子带间,是一种超高速响应的激光器。QCL的小型、大功率、高速响应等特点,使其在环境、医学、缉毒反恐等方面具有广泛的应用。
量子级联 激光器 量子限制 中红外 太赫兹 quantum cascade lasers quantum confinement intermediate infrared terahertz
1 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定 071000
2 中国乐凯集团有限公司研究院, 河北 保定 071020
为了研究硅异质结太阳电池中纳米硅氧薄膜的光电特性, 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了一系列不同晶态比例的nc-SiOx∶H薄膜, 利用拉曼散射光谱(Raman)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光谱等检测手段分别对薄膜的微观结构、键合配置, 能带特征以及发光特性进行了表征。薄膜结构特征分析显示, 随着氧掺入量的增加, 薄膜由微晶向非晶转化, 光学带隙逐渐增加, 而处在相变区(晶化度约为10%, nc-Si尺寸约为3 nm)的薄膜具有较高的中程有序度、较小的结构因子和较为致密的微观结构。薄膜稳/瞬态光致发光结果显示, 一定量的氧掺入可以钝化缺陷、增强发光, 而相变区薄膜的发光强度最大, 表明较小尺寸的nc-Si具有较强的量子限制效应, nc-Si的量子限制效应发光是主要的载流子复合机制。
纳米硅氧薄膜 相变区 微观结构 光致发光 量子限制效应 nc-SiOx film phase transformation zone microstructure photoluminescence(PL) quantum confinement effect
洛阳理工学院 电气工程与自动化学院,河南 洛阳 471023
本文通过计算量子力学波动方程以及载流子传输特性,哈密顿量的H能谱图和边界条件等的理论方法来分析量子限制斯达克效应对三角形量子阱体系吸收特性的影响,说明了选择合适的量子阱垒层对于提高三角形量子阱吸光率具有重要的意义。
三角形量子阱 量子限制斯达克效应 光吸收 triangle quantum wells light absorption quantum mechanics
1 南京理工大学紫金学院 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210046
2 中国药科大学 理学院, 江苏 南京 210096
采用射频磁控反应溅射技术制备了a-Si/SiNx超晶格材料, 并采用热退火技术对材料进行处理。利用吸收光谱和X射线衍射谱对材料进行表征, 结果表明Si层呈现非晶态。为研究材料的三阶非线性光学特性, 对材料进行Z扫描研究, 测量数据表明, 材料的非线性吸收为反饱和吸收, 材料非线性折射率呈现为负值, 该材料的χ(3)的实部为4.57×10-17 C(1.39×10-7 esu), 虚部为1.49×10-17 C (4.48×10-8 esu), 该极化率数值比体硅材料的χ(3)值大5个数量级。对该材料非线性光学产生的机理进行了研究, 认为材料体现出的较强的量子限制效应是非线性极化率增强的主要来源。
a-Si/SiNx超晶格 非线性光学 Z扫描 量子限制效应 a-Si/SiNx superlattice nonlinear optical Z-scan quantum confinement
1 兰州理工大学 材料科学与工程学院, 甘肃 兰州 730050
2 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
3 中国科学院 兰州化学物理研究所, 甘肃 兰州 730000
采用液相剥离法剥离MoS2块体材料,通过选择合适的剥离剂、超声时间、超声功率得到含有不同尺寸且分散均匀的MoS2混合纳米薄片悬浮溶液.在360 nm光激发下,这种悬浮液表现出单层MoS2及小尺寸MoS2纳米颗粒的复合发光特征.与微机械剥离得到的单层MoS2的发光特性相比,这种液相法得到的混合纳米薄片在512 nm处的最强发光峰位发生明显蓝移.混合纳米薄片在横向尺度上所产生的量子限制效应可能是导致该峰位蓝移的主要原因.
混合纳米薄片 量子限制效应 光致发光 MoS2 MoS2 hybrid-nanosheets quantum confinement effect photoluminescence
