氧化对硅锗合金低维结构PL发光的影响

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用未掺杂的Si1-xGex合金薄膜(在硅基上用MBE技术生成,其中x=0.25,薄膜厚度为2000nm)作样品,分别用强脉冲激光(波长为1064nm、脉冲瞬时功率密度约为109W/cm2、重复率为1000次/秒)辐照的方法与连续激光(波长为532nm、功率为20mW)辐照辅助电化学刻蚀的方法对样品进行加工,然后将样品置于高温氧化炉(800℃)中进行不同程度的退火氧化处理。用高分辨率扫描电子显微镜(SEM)观察分析硅锗合金样品的低维结构形貌,发现不同加工条件下所生成的点状、线状与片状等低维结构,及其退火氧化后的结构变化;用514nm亚离子激光拉曼/荧光光谱仪测量这些低维结构所对应的光致荧光(PL)光谱,发现由于氧化条件的不同生成的这些结构所对应的PL光谱无论是强度、还是峰位都发生了显著的变化。本文用激光与物质相互作用以及硅锗合金的氧化机理模型分析了这些结构形成的原因。实验中,由于激光辐照能量、时间和退火条件的不同而使得氧化硅层的厚度与纳晶团簇的尺寸发生变化,进而造成纳晶硅锗能带结构及其氧化界面态的变化,从而影响样品的PL发光。根据量子受限(QC)与量子受限发光中心(QCLC)模型,给出纳晶硅锗与氧化界面态的综合模型来解释样品PL发光的变化。该模型认为:硅锗的低维纳米结构对应的量子受限效应展宽了能隙,其不同的氧化条件生成各种氧化界面态;当氧化界面态能级低于展宽后的导带底能级时,氧化界面态可以捕获导带底的电子形成亚稳态,该亚稳态与价带顶可以形成粒子数反转,从而产生较强的PL发光乃至受激发光。而由氧化界面态能级的高低可以解释PL光谱的频率变化。
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