【摘 要】
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半导体量子阱是典型的低维结构材料,在诸多光电器件中发挥着十分重要的作用。深入研究量子阱中载流子动力学过程,尤其是激子局域化对量子阱光学性质的影响,不仅可以丰富对低维结构半导体材料物理特性的认识,而且有助于在实际应用中提高光电器件的性能,对半导体“能带工程”的发展具有重要意义。本文利用光致荧光谱技术,详细研究了InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/AlAsSb/InP、GaAsSb/Ga
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半导体量子阱是典型的低维结构材料,在诸多光电器件中发挥着十分重要的作用。深入研究量子阱中载流子动力学过程,尤其是激子局域化对量子阱光学性质的影响,不仅可以丰富对低维结构半导体材料物理特性的认识,而且有助于在实际应用中提高光电器件的性能,对半导体“能带工程”的发展具有重要意义。本文利用光致荧光谱技术,详细研究了InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/AlAsSb/InP、GaAsSb/GaAs三种量子阱异质结材料中的激子局域化现象,主要研究结果如下:1、系统研究了InGaAs/InP体材料和InGaAs/InAlAs/InP量子阱中激子局域化。首次在InGaAs体材料和50 nm宽的量子阱中,观察到了清晰可辨的自由激子和局域激子分立发光峰,实验测量了激子动力学过程随激发强度及温度的变化,发现50 nm量子阱中弱量子限制作用仍影响着自由激子和局域激子的动力学过程,证实了在50 nm宽量子阱中合金无序是影响激子局域化的主要因素。最后,实验证明了在不同宽度量子阱中,产生于合金无序与产生于界面起伏的局域激子在荧光信号中占比不同。宽阱中局域激子主要产生于合金无序,而窄阱中局域激子主要产生于界面起伏。量子阱中局域激子起源的差异,使得量子阱中激子动力学过程迥异。2、通过改变量子阱宽度以及调控势阱层的生长界面,研究了InGaAs/AlAsSb/InP量子阱中激子局域化。这是首次采用数字合金生长技术调控Al As Sb势垒层的界面（Al As和Al Sb）,研究其对InGaAs/AlAsSb/InP量子阱中激子局域化的影响。在量子阱荧光谱中,观察到了由局域激子引起的显著的非均匀展宽。量子阱中局域激子主要来源于双V族三元合金Al As Sb势垒层造成的界面起伏和合金无序。进一步研究发现,窄阱下量子阱的体积与界面面积的比值较小,量子阱发光受局域激子影响更为明显。激子局域化的实验结果表明,InGaAs势阱层生长在Al As Sb数字合金材料的Al As界面上,会相对减少Sb原子的扩散,提高量子阱界面质量。3、研究了不同宽度的GaAsSb/GaAs量子阱中激子局域化。首先,根据荧光谱测量结果,分析证明了GaAsSb/GaAs量子阱界面起伏和界面Sb原子的扩散会在量子阱中产生大量局域激子。其次,在不同激发强度下,量子阱中激子能态的填充机制不同。低激发强度下,量子阱中的局域激子与自由激子共同主导着量子阱辐射复合过程,而在高激发强度下,自由激子主导着辐射复合过程。并且,低激发强度下,量子阱中激子在热激发和热猝灭的过程中,局域激子不但会转化为自由激子,还会通过量子阱界面的无辐射复合中心弛豫掉。通过对比分析不同阱宽下量子阱中激子局域化现象,发现单纯阱宽变化对GaAsSb/GaAs量子阱中激子的动力学过程影响很小。但是,对于窄阱,量子阱中激子的复合和弛豫方式发生了很大变化,低激发强度下,局域激子无辐射复合明显减弱。以上结果揭示了InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/AlAsSb/InP和GaAsSb/GaAs量子阱异质结材料中的激子局域化和载流子动力学特性,表明Sb原子的趋表面效应容易导致激子局域化,锑化物三元合金材料无论作为势垒层还是势阱层,都对量子阱内的激子局域化过程有着显著影响。这些研究结果加深了对InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/AlAsSb/InP和GaAsSb/GaAs量子阱异质结材料的认识,为光电器件结构设计和性能提升提供了可靠的实验依据。
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