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掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁

郑卫民 黄海北 李素梅 丛伟艳 王爱芳 李斌 宋迎新

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掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁

郑卫民, 黄海北, 李素梅, 丛伟艳, 王爱芳, 李斌, 宋迎新

Transitions between Be acceptor levels in GaAs bulk

Zheng Wei-Min, Huang Hai-Bei, Li Su-Mei, Cong Wei-Yan, Wang Ai-Fang, Li Bin, Song Ying-Xin
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  • 通过远红外吸收谱、光致发光光谱和拉曼散射光谱, 对均匀掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁进行了研究. 实验中使用的GaAs:Be样品是通过分子束外延设备, 生长在半绝缘(100) GaAs衬底之上的外延单层. 在4.2 K温度下, 对样品分别进行了远红外吸收光谱、光致发光光谱、Raman光谱的实验测量. 在远红外吸收光谱中, 清楚地观察到了从Be受主1S3/2Γ8基态到它的三个激发态2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的奇宇称跃迁吸收峰. 跃迁能量与先前文献中报道的符合得很好. 从光致发光光谱中, 观察到了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态的两空穴跃迁的发光峰, 从而间接地找到了两能级之间的跃迁能量. 在Raman光谱中, 清楚地分辨出来了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态偶宇称跃迁的拉曼散射峰, 直接得到了两能级间的跃迁能量. 对比发现, 分别直接和间接得到的1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态跃迁能量结果是一致的.
    The doping is one of important means in the semiconductor manufacturing techniques, by which the optical and electric properties of semiconductor materials can be significantly improved. The doping level and energy level structure of dopants have a great influence on the operating performances of micro-electronic devices. Beryllium is one of acceptors, which is frequently used to be doped in GaAs bulk, because it is very stable with respect to diffusion at higher temperatures. Therefore, it is significant for the application to optoelectronic devices that the energy-state structure of Be acceptors in GaAs bulk can be investigated in detail. The sample GaAs:Be used in experiment is a 5-μm-thick epitaxial single layer doped uniformly by Be acceptors with a doping level of 2 × 1016 cm–3, and grown by molecular beam epitaxy on 450-μm-thick semi-insulating (100) GaAs substrates in a VG V80 H reactor equipped with all solid sources. The transitions between the energy states of Be acceptors are studied experimentally by different spectroscopy techniques. The far-infrared absorption experiments are performed by using a Fourier-transform spectrometer equipped with a tungsten light source and a multilayer wide band beam splitter. Prior to the absorption spectrum measurement, the sample is thinned, polished and wedged to approximately a 5° angle to suppress optical interference between the front and back faces. Then, the sample is placed into the cryostat with liquid helium (4.2 K). The photoluminescence and Raman spectra are also measured at 4.2 K by a Renishaw Raman imaging microscope. The optical excitation to the sample is provided by an argon-ion laser with a wavelength of 514.5 nm, and the excited power is typically 5 mW. The odd-parity transitions from the Be acceptor ground state 1S3/2Γ8 to three excited states, i.e. 2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8 and 2P5/2Γ7 are clearly observed in the far-infrared absorption spectra, then the respective transition energy values are obtained, which are in excellent agreement with the experimental results reported previously. In the photoluminescence spectrum, the emission peak labelled two holetransition, originating from the two-hole transition of recombination of the neutral-accptor bound excitons, is seen obviously, thus the energy of the even-parity transition between 1S3/2Γ8 and 2S3/2Γ8 states is found indirectly. Furthermore, in the Raman spectrum measured, the transition peak between 1S3/2Γ8 and 2S3/2Γ8 states is well resolved, and the transition energy between them is gained directly. By comparison, the transition energy values gained directly and indirectly are found to be consistent with each other.
      通信作者: 郑卫民, wmzheng@sdu.edu.cn ; 李斌, binli@mail.sitp.ac.cn
    • 基金项目: 山东省自然科学基金(批准号: ZR2017MF018)和国家自然科学基金(批准号: 61675223)资助的课题.
      Corresponding author: Zheng Wei-Min, wmzheng@sdu.edu.cn ; Li Bin, binli@mail.sitp.ac.cn
    • Funds: Project supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (Grant No. ZR2017MF018) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61675223)
    [1]

    Park J, Barnes P A, Lovejoy M L 1995 Appl. Phys. Lett. 67 968Google Scholar

    [2]

    Jiang D S, Makita Y, Ploog K, Queisser H J 1982 J. Appl. Phys. 53 999Google Scholar

    [3]

    Arab S, Yao M, Zhou C, Dapkus P D, Cronin S B 2016 Appl. Phys. Lett. 108 182106Google Scholar

    [4]

    Hu J, Zhang H, Sun Y, Misochko O V, Nakamura K G 2018 Phys. Rev. B 97 165307Google Scholar

    [5]

    Belykh V V, Kavokin K V, Yakovlev D R, Bayer M 2017 Phys. Rev. B 96 241201Google Scholar

    [6]

    Donnelly J P, Leonberger F J, Bozler C O 1976 Appl. Phys. Lett. 28 706Google Scholar

    [7]

    Waldrop J R 1988 Appl. Phys. Lett. 53 1518Google Scholar

    [8]

    Beyzavi K, Lee K, Kim D M, Nathan M I, Wrenner K, Wright S L 1991 Appl. Phys. Lett. 58 1268Google Scholar

    [9]

    Wagner J, Seelewind H, Koidl P 1986 Appl. Phys. Lett. 49 1080Google Scholar

    [10]

    Atzmuller R, Dahl M, Kraus J, Schaack G, Schubert J 1991 J. Phys. Condens. Matter 3 6775Google Scholar

    [11]

    Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices (New York: John Wiley & Sons Ltd.) p20

    [12]

    Reeder A A, McCombe B D, Chambers F A, Devane G P 1988 Phys. Rev. B 38 4318Google Scholar

    [13]

    Reeder A A, McCombe B D, Chambers F A, Devane G P 1988 Superlatt. Microstruct. 4 381Google Scholar

    [14]

    Reeder A A, Mercy J M, McCombe B D 1988 IEEE J. Quantum Electron. 24 1690Google Scholar

    [15]

    Lewis R A, Cheng T S, Henini M, Chamberlain J M 1996 Phys. Rev. B 53 12829Google Scholar

    [16]

    Wan K, Bray R M 1985 Phys. Rev. B 32 5265Google Scholar

    [17]

    Gammon D, Merlin R, Masselink W T, Morkoc H 1986 Phys. Rev. B 33 2919Google Scholar

    [18]

    Lipari N O, Balderschi A 1978 Solid State Commun. 25 665Google Scholar

    [19]

    Balderschi A, Lipari N O 1976 Journal of Luminescence 12−13 489

    [20]

    Fiorentini V, Balderschi A 1989 Solid State Commun. 69 953Google Scholar

    [21]

    Fisher P, Fan H Y 1959 Phys. Rev. Lett. 2 456Google Scholar

    [22]

    Kirkman R F, Stradling R A, Lin-Chung P J 1978 J. Phys. C 11 419Google Scholar

    [23]

    Luttinger J M 1956 Phys. Rev. 102 1030Google Scholar

    [24]

    Balderschi A, Lipari N O 1973 Phys. Rev. B 8 2697Google Scholar

    [25]

    Balderschi A, Lipari N O 1974 Phys. Rev. B 9 1525Google Scholar

    [26]

    Labrie D, Booth I J, Thewalt M L W, Clayman B P 1986 Appl. Opt. 25 171Google Scholar

    [27]

    Koteles E S, Datars W R 1976 Can. J. Phys. 54 1676Google Scholar

    [28]

    Shen X C 2002 Spectrum and Optical Property of Semiconductor (Beijing: Scientific Press) p553 (in Chinese) [沈学础 2002 半导体光谱和光学性质 (北京: 科学出版社) 第553页]

    [29]

    Contour J P, Neu G, Leroux M, Chaix C, Levesque B, Etienne P 1983 J. Vac. Sci. Technol. B 1 811

    [30]

    Bhattacharya P K, BOhlmann H J, Iegems M 1982 J. Appl. Phys. 53 6391Google Scholar

    [31]

    Wan K, Young J F, Devine R L S, Moore W T, Thorpe S, Miner C J, Mandeville P 1988 J. Appl. Phys. 63 5598Google Scholar

    [32]

    Olego D, Cardona M 1981 Phys. Rev. B 24 7217Google Scholar

  • 图 1  掺杂在GaAs材料中Be受主的能级分布及跃迁

    Fig. 1.  Energy levels of Be acceptors doped in GaAs bulk.

    图 2  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的远红外吸收谱

    Fig. 2.  Far-infrared absorption spectrum for the sample GaAs:Be at 4.2 K.

    图 3  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的PL光谱

    Fig. 3.  PL spectrum of sample GaAs:Be at 4.2 K.

    图 4  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的Raman光谱

    Fig. 4.  Raman spectrum of the sample GaAs:Be at 4.2 K.

    表 1  掺杂在GaAs中Be受主的跃迁能量的对照

    Table 1.  Comparison of transition energies of Be accepters in GaAs.

    跃迁
    谱线
    跃迁能量
    实验值 理论值
    文献[12, 15] 本文文献[25]
    /cm –1 /cm–1 /meV/meV
    G135134.4213516.7414.29
    D167166.7616720.7118.47
    C184182.3018322.6920.34
    E160 (PL)
    161 (Raman)
    19.84
    19.96
    18.04
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  • [1]

    Park J, Barnes P A, Lovejoy M L 1995 Appl. Phys. Lett. 67 968Google Scholar

    [2]

    Jiang D S, Makita Y, Ploog K, Queisser H J 1982 J. Appl. Phys. 53 999Google Scholar

    [3]

    Arab S, Yao M, Zhou C, Dapkus P D, Cronin S B 2016 Appl. Phys. Lett. 108 182106Google Scholar

    [4]

    Hu J, Zhang H, Sun Y, Misochko O V, Nakamura K G 2018 Phys. Rev. B 97 165307Google Scholar

    [5]

    Belykh V V, Kavokin K V, Yakovlev D R, Bayer M 2017 Phys. Rev. B 96 241201Google Scholar

    [6]

    Donnelly J P, Leonberger F J, Bozler C O 1976 Appl. Phys. Lett. 28 706Google Scholar

    [7]

    Waldrop J R 1988 Appl. Phys. Lett. 53 1518Google Scholar

    [8]

    Beyzavi K, Lee K, Kim D M, Nathan M I, Wrenner K, Wright S L 1991 Appl. Phys. Lett. 58 1268Google Scholar

    [9]

    Wagner J, Seelewind H, Koidl P 1986 Appl. Phys. Lett. 49 1080Google Scholar

    [10]

    Atzmuller R, Dahl M, Kraus J, Schaack G, Schubert J 1991 J. Phys. Condens. Matter 3 6775Google Scholar

    [11]

    Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices (New York: John Wiley & Sons Ltd.) p20

    [12]

    Reeder A A, McCombe B D, Chambers F A, Devane G P 1988 Phys. Rev. B 38 4318Google Scholar

    [13]

    Reeder A A, McCombe B D, Chambers F A, Devane G P 1988 Superlatt. Microstruct. 4 381Google Scholar

    [14]

    Reeder A A, Mercy J M, McCombe B D 1988 IEEE J. Quantum Electron. 24 1690Google Scholar

    [15]

    Lewis R A, Cheng T S, Henini M, Chamberlain J M 1996 Phys. Rev. B 53 12829Google Scholar

    [16]

    Wan K, Bray R M 1985 Phys. Rev. B 32 5265Google Scholar

    [17]

    Gammon D, Merlin R, Masselink W T, Morkoc H 1986 Phys. Rev. B 33 2919Google Scholar

    [18]

    Lipari N O, Balderschi A 1978 Solid State Commun. 25 665Google Scholar

    [19]

    Balderschi A, Lipari N O 1976 Journal of Luminescence 12−13 489

    [20]

    Fiorentini V, Balderschi A 1989 Solid State Commun. 69 953Google Scholar

    [21]

    Fisher P, Fan H Y 1959 Phys. Rev. Lett. 2 456Google Scholar

    [22]

    Kirkman R F, Stradling R A, Lin-Chung P J 1978 J. Phys. C 11 419Google Scholar

    [23]

    Luttinger J M 1956 Phys. Rev. 102 1030Google Scholar

    [24]

    Balderschi A, Lipari N O 1973 Phys. Rev. B 8 2697Google Scholar

    [25]

    Balderschi A, Lipari N O 1974 Phys. Rev. B 9 1525Google Scholar

    [26]

    Labrie D, Booth I J, Thewalt M L W, Clayman B P 1986 Appl. Opt. 25 171Google Scholar

    [27]

    Koteles E S, Datars W R 1976 Can. J. Phys. 54 1676Google Scholar

    [28]

    Shen X C 2002 Spectrum and Optical Property of Semiconductor (Beijing: Scientific Press) p553 (in Chinese) [沈学础 2002 半导体光谱和光学性质 (北京: 科学出版社) 第553页]

    [29]

    Contour J P, Neu G, Leroux M, Chaix C, Levesque B, Etienne P 1983 J. Vac. Sci. Technol. B 1 811

    [30]

    Bhattacharya P K, BOhlmann H J, Iegems M 1982 J. Appl. Phys. 53 6391Google Scholar

    [31]

    Wan K, Young J F, Devine R L S, Moore W T, Thorpe S, Miner C J, Mandeville P 1988 J. Appl. Phys. 63 5598Google Scholar

    [32]

    Olego D, Cardona M 1981 Phys. Rev. B 24 7217Google Scholar

  • [1] 王鹏华, 唐吉龙, 亢玉彬, 方铉, 房丹, 王登魁, 林逢源, 王晓华, 魏志鹏. GaAs纳米线晶体结构及光学特性. 物理学报, 2019, 68(8): 087803. doi: 10.7498/aps.68.20182116
    [2] 乔晓粉, 李晓莉, 刘赫男, 石薇, 刘雪璐, 吴江滨, 谭平恒. 悬浮二维晶体材料反射光谱和光致发光光谱的周期性振荡现象. 物理学报, 2016, 65(13): 136801. doi: 10.7498/aps.65.136801
    [3] 刘明, 曹世勋, 袁淑娟, 康保娟, 鲁波, 张金仓. Pr掺杂DyFeO3体系的自旋重取向相变、晶格畸变与Raman光谱研究 . 物理学报, 2013, 62(14): 147601. doi: 10.7498/aps.62.147601
    [4] 杨发展, 沈丽如, 王世庆, 唐德礼, 金凡亚, 刘海峰. 等离子体增强化学气相沉积法制备含氢类金刚石膜的紫外Raman光谱和X射线光电子能谱研究. 物理学报, 2013, 62(1): 017802. doi: 10.7498/aps.62.017802
    [5] 韩亮, 邵鸿翔, 何亮, 陈仙, 赵玉清. 氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响. 物理学报, 2012, 61(10): 106803. doi: 10.7498/aps.61.106803
    [6] 刘天元, 孙成林, 里佐威, 周密. Raman光谱方法研究三氯甲烷与苯分子间的 C/H相互作用. 物理学报, 2012, 61(10): 107801. doi: 10.7498/aps.61.107801
    [7] 房超, 刘马林. 包覆燃料颗粒碳化硅层的Raman光谱研究. 物理学报, 2012, 61(9): 097802. doi: 10.7498/aps.61.097802
    [8] 张山丽, 曾繁明, 王欣桐, 李春, 王成伟, 张莹, 林海, 秦杰明, 刘景和. Cr4+:Ca2 GeO4激光晶体生长及结构表征. 物理学报, 2010, 59(10): 7214-7218. doi: 10.7498/aps.59.7214
    [9] 刘燕燕, E. Bauer-Grosse, 张庆瑜. 一氧化碳合成金刚石薄膜的形貌和结构分析. 物理学报, 2007, 56(11): 6572-6579. doi: 10.7498/aps.56.6572
    [10] 王 茺, 刘昭麟, 陈平平, 崔昊杨, 夏长生, 杨 宇, 陆 卫. 应力导致InAs/In0.15Ga0.85As量子点结构中In0.15Ga0.85As阱层的合金分解效应研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5418-5423. doi: 10.7498/aps.56.5418
    [11] 丁才蓉, 王 冰, 杨国伟, 汪河洲. 催化剂对热蒸发法生长SnO2纳米晶体质量的影响及其发光光谱研究. 物理学报, 2007, 56(3): 1775-1778. doi: 10.7498/aps.56.1775
    [12] 钟红梅, 陈效双, 王金斌, 夏长生, 王少伟, 李志锋, 徐文兰, 陆 卫. 基于离子注入技术的ZnMnO半导体材料的制备及光谱表征. 物理学报, 2006, 55(4): 2073-2077. doi: 10.7498/aps.55.2073
    [13] 徐波, 余庆选, 吴气虹, 廖源, 王冠中, 方容川. 应力和掺杂对Mg:GaN薄膜光致发光光谱影响的研究. 物理学报, 2004, 53(1): 204-209. doi: 10.7498/aps.53.204
    [14] 蔡炜颖, 李志锋, 陆 卫, 李守荣, 梁平治. Si微电阻桥温度分布与热传导特性的显微Raman光谱研究. 物理学报, 2003, 52(11): 2923-2928. doi: 10.7498/aps.52.2923
    [15] 张海燕, 陈可心, 朱燕娟, 陈易明, 何艳阳, 伍春燕, 王金华, 刘颂豪. CO2连续激光蒸发制备单壁碳纳米管及其Raman光谱的研究. 物理学报, 2002, 51(2): 444-448. doi: 10.7498/aps.51.444
    [16] 董艳锋, 李清山. 多孔铝镶嵌8-羟基喹啉铝荧光光谱研究. 物理学报, 2002, 51(7): 1645-1648. doi: 10.7498/aps.51.1645
    [17] 卢贵武, 夏海瑞, 孟宪林, 刘雪松, 杨卫兵. 掺Nd锆石类激光晶体的Raman光谱研究. 物理学报, 2002, 51(2): 424-429. doi: 10.7498/aps.51.424
    [18] 梁二军, 晁明举. 激光诱导多孔硅晶格畸变的Raman光谱和光致发光谱研究. 物理学报, 2001, 50(11): 2241-2246. doi: 10.7498/aps.50.2241
    [19] 李刘合, 张海泉, 崔旭明, 张彦华, 夏立芳, 马欣新, 孙跃. X射线光电子能谱辅助Raman光谱分析类金刚石碳膜的结构细节. 物理学报, 2001, 50(8): 1549-1554. doi: 10.7498/aps.50.1549
    [20] 李志锋, 陆 卫, 叶红娟, 袁先璋, 沈学础, G.Li, S.J.Chua. GaN载流子浓度和迁移率的光谱研究. 物理学报, 2000, 49(8): 1614-1619. doi: 10.7498/aps.49.1614
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-26
  • 修回日期:  2019-06-29
  • 上网日期:  2019-09-01
  • 刊出日期:  2019-09-20

掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁

  • 1. 山东大学(威海)空间科学与物理学院, 威海 264209
  • 2. 山东大学化学与化学工程学院, 济南 250100
  • 3. 山东大学(威海)信息工程学院, 威海 264209
  • 4. 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
  • 5. 济南市半导体元件实验所, 济南 250014
  • 通信作者: 郑卫民, wmzheng@sdu.edu.cn ; 李斌, binli@mail.sitp.ac.cn
    基金项目: 山东省自然科学基金(批准号: ZR2017MF018)和国家自然科学基金(批准号: 61675223)资助的课题.

摘要: 通过远红外吸收谱、光致发光光谱和拉曼散射光谱, 对均匀掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁进行了研究. 实验中使用的GaAs:Be样品是通过分子束外延设备, 生长在半绝缘(100) GaAs衬底之上的外延单层. 在4.2 K温度下, 对样品分别进行了远红外吸收光谱、光致发光光谱、Raman光谱的实验测量. 在远红外吸收光谱中, 清楚地观察到了从Be受主1S3/2Γ8基态到它的三个激发态2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的奇宇称跃迁吸收峰. 跃迁能量与先前文献中报道的符合得很好. 从光致发光光谱中, 观察到了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态的两空穴跃迁的发光峰, 从而间接地找到了两能级之间的跃迁能量. 在Raman光谱中, 清楚地分辨出来了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态偶宇称跃迁的拉曼散射峰, 直接得到了两能级间的跃迁能量. 对比发现, 分别直接和间接得到的1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态跃迁能量结果是一致的.

English Abstract

    • 掺杂在GaAs体材料中的施主和受主, 对基于GaAs材料的光电器件的工作效率有着重要的影响[1-5]. GaAs是典型的闪锌矿型结构, 具有Td点群对称. 它的价带顶在布里渊区中心Γ点处六重简并(在考虑自旋的情况下). 由于GaAs复杂的价带结构, p-型掺杂受主的电子态结构相对于n-型掺杂的施主而言, 被研究得甚少[6-8]. 最早对受主电子态结构的研究工作, 主要集中在无意掺杂的受主C和Zn上[9,10], 而对有意掺杂的Be受主原子能级结构的研究工作不多. 然而, Be受主原子通常是分子束外延技术生长的GaAs, (Al, Ga)As, (Ga, In)As, (Al, In)As等材料中最理想的p-型掺杂受主, 它不仅具有良好的热扩散稳定性, 而且还具有26 meV大小的束缚能[11]. Be受主原子能级之间的跃迁能量小于GaAs材料的纵光学声子(longitudinal optical phonon, LO)能量($\hbar $ωLO = 36 meV), 这就极大地减少了由LO声子引入的非辐射复合, 从而能够提高光电器件的量子工作效率. 最早, Reeder等[12-14]通过低温下的远红外透射光谱, 研究了分别处于GaAs材料中和GaAs/AlxGa1–xAs量子阱中Be受主能级之间的跃迁, 清楚地观察到了Be受主基态到激发态的奇宇称跃迁, 但Be受主的吸收谱线较宽、强度较弱. 后来, Lews等[15]通过远红外吸收谱, 研究了Be受主能级之间的跃迁吸收与Be受主掺杂剂量之间的关系, 获得了强而且尖锐的Be受主吸收谱线. 拉曼散射光谱也常用来研究GaAs中受主能级之间的跃迁, 它是对远红外吸收光谱研究的补充, 尤其对受主基态到激发态的偶宇称跃迁非常敏感, 这种跃迁在远红外吸收光谱中是观察不到的, 因为跃迁选择定则是禁戒的[16]. Gammon等[17]利用拉曼散射光谱在2 K温度下, 研究了掺杂在GaAs-AlxGa1–xAs量子阱中Be受主能级之间的跃迁. 基于量子阱对Be受主的量子限制效应, 导致了Be受主能级的分裂. 他们观察到了来自Be受主劈裂后的基态能级1S3/2(Γ6+Γ7)级到它劈裂后的激发态能级2S3/2(Γ6+Γ7)之间的偶宇称跃迁, 研究了受主能级的劈裂与量子阱宽度之间的关系. 除了上述实验研究之外, 理论上Lipari等[18]在有效质量框架内, 首次给出了立方半导体内受主的Hamiltonian量. 从此之后, 大部分半导体中的单受主或双受主电子态的计算都基于这种方法[19,20].

      本文通过分子束外延设备生长了GaAs单层, 并且对其进行Be受主的均匀掺杂. 在4.2 K温度下, 对GaAs:Be外延单层样品分别进行了远红外吸收谱、光致发光(photoluminescence, PL)光谱和拉曼光谱测量, 研究了Be受主1S3/2Γ8基态到最低激发态2P3/2Γ8, 2S3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的跃迁, 并把研究结果和文献中报道的结果进行了比较.

    • 在实验中所用的GaAs:Be样品是通过分子束外延设备生长的. 在550 ℃温度下, 样品生长在半绝缘的(100) GaAs衬底之上, 生长厚度为5 μm. 在GaAs外延层的生长过程中, 进行了Be受主的均匀掺杂, 掺杂剂量为2 × 1016 cm–3. 利用Fourier变换红外光谱仪, 对GaAs:Be样品进行了远红外吸收光谱的测量. 在测量之前, 为了得到清楚的红外吸收光谱, 样品被磨成了一个很薄的楔形, 楔形的尖角大约5°, 并且在楔形的两面进行了抛光, 目的是为了消除在测量中样品前、后面导致的光干涉现象对红外吸收谱的影响. 实验中所用的光源是钨灯, 分束片是多层宽带. 样品和硅电热辐射探测器都被放在由液氦冷却、聚酯窗口的低温装置中, 最后所得到的每条红外吸收光谱, 都是在4.2 K温度下100次平均的结果, 光谱的波数范围是40—300 cm–1.

      利用Renishaw Raman影像显微光谱仪, 在4.2 K温度下, 对GaAs:Be样品分别进行了PL光谱和Raman光谱的测量. 所使用的激发光源是Ar+离子激光器, 波长为514.5 nm. 激光光斑直径大小约为2 μm, 激发功率为5 mW. 样品被置于由液氦循环的低温杜瓦中, 激光束聚焦在样品上, 从样品反射回来的光, 被收集后进入光谱分析仪. 此外, 在对样品的Raman光谱测量中采用是背散射几何z(x, x) $\bar z$配置.

    • GaAs材料价带顶角动量$j = {3/ 2}$, 因而在布里渊区中心Γ点($k = 0$)价带顶是四重简并($ {m_j} =$$ \pm 3/2,\; \pm 1/2$). 当价带偏离布里渊区中心, 由于自旋-轨道相互作用, 价带顶的四重简并劈裂为一个二重简并(Γ6对称性)的重空穴子带(${m_j} = \pm {3/2}$)和一个二重简并(Γ7对称性)的轻空穴子带(${m_j} = \pm {1/2}$). 掺杂在GaAs材料中的Be受主原子, 可以看作是处于库仑场中自旋$s = {3/2}$的一个粒子, 它的总角动量J等于自旋角动量S与类氢原子包络轨道角动量L的矢量和, j的量子数在${3/{2 + l}}$$\left| {{3/{2 - l}}} \right|$之间取值. GaAs材料是闪锌矿型结构, 价带具有立方对称性, 这导致了具有球形对称势的Be受主能态的劈裂. 用价带点群不可约表示, Be受主最低的能态分别是1S3/2Γ8, 2P3/2Γ8, 2S3/2Γ8, 2P5/2Γ8, 2P5/2Γ7, 2P1/2Γ6[21,22]. 在强的自旋-轨道耦合极限下(即布里渊区中心价带自旋-轨道劈裂Δ = 340 meV远大于受主束缚能), GaAs材料中Be受主的Hamiltonian算符为[23]

      $\begin{split} \hat H = & \left( {{\gamma _1} + \frac{5}{2}{\gamma _2}} \right)\frac{{{{\hat P}^2}}}{{2{m_0}}} \\ & - \frac{{{\gamma _2}}}{{{m_0}}}\left( {\hat P_x^2\hat J_x^2 + \hat P_y^2\hat J_y^2 + \hat P_z^2\hat J_z^2} \right) \\ & - \frac{{2{\gamma _3}}}{{{m_0}}}\left( {\left\{ {{{\hat P}_x}{{\hat P}_y}} \right\}\left\{ {{{\hat J}_x}{{\hat J}_y}} \right\} + \left\{ {{{\hat P}_y}{{\hat P}_z}} \right\}\left\{ {{{\hat J}_y}{{\hat J}_z}} \right\} }\right. \\ & \left. + \left\{ {{{\hat P}_z}{{\hat P}_x}} \right\}\left\{ {{{\hat J}_z}{{\hat J}_x}} \right\} \right) - \frac{{{e^2}}}{{{\varepsilon _0}r}} , \end{split} $

      这里$\left\{ {\hat a\hat b} \right\} = \dfrac{1}{2}\left( {\hat a\hat b + \hat b\hat a} \right)$, γ1, γ2γ3是描述布里渊区中心附近空穴色散关系的Luttinger参数, $\hat P$$\hat J$分别是空穴的动量和角动量算符. 方程(1)中的第一项是自旋为3/2粒子的动能项, 第二、第三项描述了自旋-轨道的相互作用, 最后一项代表了库仑作用势. 在不同的近似下, Be受主的能量本征值及波函数, 可以通过求解上述Hamiltonian算符所对应的薛定谔方程得到[24,25]. Be受主最低的几个能态及跃迁如图1所示.

      图  1  掺杂在GaAs材料中Be受主的能级分布及跃迁

      Figure 1.  Energy levels of Be acceptors doped in GaAs bulk.

      图2给出了在4.2 K温度下, GaAs:Be样品在120—240 cm–1波数范围内的远红外吸收谱. 从图2可以清楚地观察到三个宽的吸收峰, 它们分别来自Be受主1S3/2Γ8基态到最低的三个激发态2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的奇宇称跃迁: 1S3/2Γ8 → 2P3/2Γ8跃迁为G吸收峰(135 cm–1), 1S3/2Γ8 → 2P5/2Γ8跃迁为D吸收峰(167 cm–1), 1S3/2Γ8 → 2P5/2Γ7的跃迁为C吸收峰(183 cm–1). 相比较而言, 在这三个吸收峰中, 位于高能端的C峰强度最弱、峰最宽. 造成G, D, C这三个吸收峰较宽的原因是: 在140 cm–1附近探测器的聚酯窗口有一个吸收峰[26], 同时GaAs体材料在161, 165和176 cm–1处分别存在有两声子组合模式吸收峰[27]. 这里没有观察到1S3/2Γ8 → 2P1/2Γ8跃迁的A吸收峰, 这可能是由于样品中Be受主掺杂剂量较低及样品较厚, 以致于A吸收峰太弱而不能分辨. 除此之外, Be受主1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态跃迁的E吸收峰也没有观察到, 这是因为红外吸收光谱仅能观察1S → nP0, ±奇宇称的跃迁, 则对于1S → nS偶宇称的跃迁, 选择定则是禁戒的[28].

      图  2  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的远红外吸收谱

      Figure 2.  Far-infrared absorption spectrum for the sample GaAs:Be at 4.2 K.

    • 在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的PL光谱如图3所示. 从图3可以看到GaAs:Be样品的PL谱, 在810—835 nm之间是由两个宽的发光带组成, 在每个发光带的上面叠加着一些小的发光峰. 位于818.6 nm周围的发光带, 来自于GaAs中自由激子和束缚激子的复合发光. 在这个发光带的上面817.8 nm处, 是n = 2自由激子XCB2-HH1的发光峰(XCB2-HH1自由激子是指n = 2导带上的电子与重空穴带HH1上的空穴形成的激子). 在819.8 nm处的尖锐发光峰, 归因于束缚在中性Be受主上激子Be0X的复合发光. 在XCB2-HH1和Be0X之间较宽的发光峰, 是自由激子XCB1-HH1和中性施主束缚激子D0X发光的叠加结果. 除此之外, 在Be0X束缚激子发光峰的低能边, 还可以看到一个较弱的肩峰g, 它源于缺陷导致的束缚激子的复合发光[29]. 位于低能端830.0 nm附近的发光带, 是由施主-受主对的复合发光和n = 1导带上的电子与束缚在受主上的空穴复合发光而形成的. 在这个发光带的上面830.7 nm处, 叠加着一个弱的发光峰THT, 被指派为两空穴的跃迁(two hole transition, THT). 当束缚在中性Be受主上的激子发生复合时, 所释放出的能量中有一部分被Be受主所吸收, 从而使Be受主从基态跃迁到激发态. 因此, Be0X与THT两峰之间的能量间隔就对应着Be受主从基态1S3/2Γ8到激发态2S3/2Γ8偶宇称跃迁的能量(E线跃迁). 在第二个发光带的低能端851.1 nm处, 还能观察到一个非常弱的峰P. 它起因于由GaAs的LO声子协助的Be受主能级间跃迁的发光, 随着受主掺杂剂量的增加, 其发光强度逐渐减弱[30].

      图  3  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的PL光谱

      Figure 3.  PL spectrum of sample GaAs:Be at 4.2 K.

    • 图4为4.2 K温度、背散射配置下, GaAs:Be样品在50—900 cm–1波数范围内的Raman光谱, 它是20次连续重复测量平均的结果. 从图中可以看到谱线的下面是一个台阶, 它是由热辐射背景引起的. 在这个热辐射背景上293 cm–1处, 叠加着一个很强的尖锐峰LO, 它来自于GaAs材料的LO声子峰[31]. LO声子峰的底部几何形状并不对称, 这是由于LO声子与空穴载流子的等离子振荡耦合的结果. 然而, 我们并没有观察到GaAs体材料中的横光学声子(transverse optical phonon, TO)峰, 这是因为在背散射几何下, 对于Td点群对称的GaAs晶体, 来自(100)表面的TO声子散射的选择定则是禁戒的[32]. 除了很强的LO声子峰之外, 在161 cm–1处还有一个标记为E的弱峰, 它被指派为Be受主1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态的偶宇称跃迁峰, 该峰的指认结果基于以下三方面的分析: 首先, 参考了分别掺杂在GaAs材料中的C受主和Zn受主的拉曼光谱研究. 在背散射几何下, C受主和Zn受主的E线跃迁峰位分别位于148和174 cm–1处, Be受主的E线跃迁峰也应该位于它们的附近[16]. 其次, 根据上述样品在4.2 K温度下PL光谱的实验结果, Be受主 1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态跃迁的能量为19.84 meV, 对应的波数为160 cm–1, 该值十分接近于Raman光谱中散射峰E的位置. 最后, 把Raman光谱与远红外吸收光谱进行了对比. Be受主的E线跃迁在红外吸收谱中是观察不到的, 这是由跃迁选择定则所决定的. 然而, Raman光谱对Be受主的E线偶宇称跃迁最为敏感, 强度最强. 对于G, D, C线奇宇称跃迁, 由于强度太弱而不能清楚地分辨.

      图  4  在4.2 K温度下, GaAs:Be样品的Raman光谱

      Figure 4.  Raman spectrum of the sample GaAs:Be at 4.2 K.

      通过上述的远红外吸收光谱、PL谱和Raman光谱, 得到了掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间跃迁的能量, 结果总结在表1中. 从表中可以清楚地看到, 本实验结果中的G, D, C线跃迁能量与文献[12, 15]所报道的实验结果符合得很好, 偏差在1 cm–1范围内, 但与文献[25]中的理论值相比, 理论值有些偏低. 除此之外, 本实验通过PL谱和Raman谱, 分别直接和间接地得到了Be受主基态1S3/2Γ8到激发态2S3/2Γ8偶宇称跃迁的E线能量, 两者也是一致的, 仅有0.12 meV的偏差.

      跃迁
      谱线
      跃迁能量
      实验值 理论值
      文献[12, 15] 本文文献[25]
      /cm –1 /cm–1 /meV/meV
      G135134.4213516.7414.29
      D167166.7616720.7118.47
      C184182.3018322.6920.34
      E160 (PL)
      161 (Raman)
      19.84
      19.96
      18.04

      表 1  掺杂在GaAs中Be受主的跃迁能量的对照

      Table 1.  Comparison of transition energies of Be accepters in GaAs.

    • 从实验上研究了均匀掺杂在GaAs体材料中Be受主能级之间的跃迁. 实验中所用的GaAs:Be样品是通过分子束外延设备生长的外延单层. 在4.2 K温度下对样品分别进行了远红外吸收谱、PL光谱和拉曼散射光谱的实验测量. 在远红外吸收谱中, 清楚地观察到了受主1S3/2Γ8基态到三个激发态2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的奇宇称跃迁吸收峰. 在PL光谱中, 观察到了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态的两空穴跃迁发光峰. 在拉曼光谱中, 直接地观察到了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态偶宇称跃迁的拉曼散射峰. 我们把实验结果和文献中报道的进行了比较, 发现它们彼此符合得很好. 本实验中通过PL谱和Raman谱, 直接和间接地得到的Be受主基态1S3/2Γ8到激发态2S3/2Γ8偶宇称跃迁的能量也是一致的.

参考文献 (32)

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