[论文解读] Temperature stable 1.3 {\mu}m emission from GaAs

Sławomir Prucnal, Kun Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 27被引用 9

一句话总结

本研究通过毫秒级闪光灯退火（flash-lamp annealing）在GaAs中实现了准温度稳定的1.3 μm光致发光，将该发光归因于VAs–X施主-受主对缺陷。在未掺杂和氮掺杂的半绝缘GaAs中，实现了最高的发光强度及最小的温度猝灭（从15 K到300 K仅降低50%）。缺陷工程使近红外发光可调谐，适用于光纤通信应用。

ABSTRACT

Gallium arsenide has outstanding performance in optical communication devices for light source purposes. Different approaches have been done to realize the luminescence from GaAs matching the transmission window of optical fibers. Here we present the realization of quasi- temperature independent photoluminescence at around 1.3 {\mu}m from millisecond-range thermally treated GaAs. It is shown that the VAs donor and X acceptor pairs are responsible for the 1.3 {\mu}m emission. The influence of the flash-lamp-annealing on the donor-acceptor pair (DAP) formation in the nitrogen and manganese doped and un-doped semi-insulating GaAs wafers were investigated. The concentration of DAP and the 1.3 {\mu}m emission can be easily tuned by controlling doping and annealing conditions.

研究动机与目标

• 开发一种在1.3 μm波长实现GaAs中温度稳定近红外（NIR）发光的方法，用于光纤通信。
• 研究闪光灯退火（FLA）在形成导致1.3 μm发光的施主-受主对（DAP）中的作用。
• 确定掺杂（N、Mn）和退火条件对DAP浓度和发光效率的影响。
• 利用正电子湮没和光谱技术确定1.3 μm发光的缺陷起源。
• 证明在半绝缘GaAs中通过缺陷工程可作为合金化之外实现近红外发光的更简单替代方案。

提出的方法

• 对半绝缘（100）GaAs晶圆进行闪光灯退火（FLA），退火时间为3–20 ms，表面温度接近1200 °C。
• 通过特定能量和注量的氮和锰离子注入，在样品中形成具有可控缺陷形成的掺杂层。
• 在15 K至300 K范围内测量温度依赖性光致发光（PL），以评估发光的热稳定性。
• 采用背散射几何的μ-Raman光谱法识别声子模式，并确认GaNxAs1−x和Ga1−xMnxAs合金的形成。
• 采用具有多普勒展宽的正电子湮没谱法量化缺陷浓度，并识别VAs–X缺陷复合物。
• 基于PL光谱和霍尔测量结果构建能级图，以模拟涉及砷空位和X缺陷的辐射跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 闪光灯退火后，GaAs中1.3 μm光致发光的缺陷复合物是什么？
• RQ2 氮或锰掺杂在半绝缘GaAs中如何影响施主-受主对的形成及其光学活性？
• RQ3 在掺杂和未掺杂的GaAs样品中，1.3 μm PL发光随温度升高保持稳定的程度如何？
• RQ4 尽管经历了相似的热处理，为何Mn掺杂完全猝灭了1.3 μm PL？
• RQ5 通过FLA实现的缺陷工程是否可产生无需复杂合金化或异质结构外延生长的温度稳定近红外发光？

主要发现

• GaAs中1.3 μm发光主要源于VAs–X施主-受主对复合，其中X缺陷位于价带以上约0.47 eV处。
• 未掺杂和氮掺杂的GaAs样品在温度从15 K升至300 K时，1.3 μm PL强度仅降低50%，表明具有准温度独立性。
• 在138.7 Jcm⁻²能量密度下进行20 ms FLA后，未掺杂GaAs样品实现了最高的1.3 μm PL强度；而氮掺杂样品在74.5 Jcm⁻²能量密度下经3 ms FLA后达到峰值。
• 锰掺杂样品中1.3 μm发光可忽略不计，这是由于空穴介导的X中心猝灭，证实了电荷态在光学活性中的关键作用。
• 氮掺杂降低了VAs–X复合物浓度，但提高了热猝灭抗性，使室温下PL强度相对于15 K时保留了42%。
• VAs–X复合物被确定为1.3 μm发光的主要来源，而次要的1.22 μm发光带归因于导带直接跃迁至X缺陷。