摘要
采用变激发功率红外光致发光（Photoluminescence， PL）光谱方法研究四个不同阱内δ掺杂面密度的GaSb0.93Bi0.07/GaSb单量子阱（Single Quantum Well， SQW）及其非掺杂SQW参考样品。通过分析GaSbBi SQW和GaSb势垒/衬底成分的PL强度演化，发现阱内δ掺杂导致红外辐射效率显著降低，相对下降幅度约为。进一步分析结果表明，发光效率下降来源于界面恶化引发的“电子损失”和阱内晶格质量下降导致的“光子损失”的共同作用。这一工作有望为稀Bi红外发光器件的性能优化提供帮助。
III-V-Bi半导体作为一种新型的材料体系，在红外发光和光电探测应用方面颇具潜
其中GaSbBi因其较窄的禁带宽度，被认为是实现2~4 μm高性能红外发光器件的重要材
本工作利用激发功率依赖的PL光谱研究不同阱内δ掺杂面密度GaSbBi/GaSb SQW的红外发光特性，发现δ掺杂显著降低SQW的发光效率，其原因主要来自界面恶化引发的“电子损失”和阱内晶格质量下降导致的“光子损失”的共同作用，导致有效的红外辐射光子大幅度损失。这一结果揭示了δ掺杂对发光效率影响的机制，为GaSbBi基高性能红外辐射器件制造和性能优化提供参考。
四个不同δ掺杂面密度的GaSbBi/GaSb SQW和四个对应非掺杂参考样品均由分子束外延（Molecular Beam Epitaxy， MBE）制备于GaSb衬底上。所有SQW的Bi组分均约为7.0％，阱宽8 nm。阱内δ掺杂步骤如下：在GaSbBi量子阱生长到一半厚度时，停顿不同的时间段并在此期间注入相同Te气
本工作的掺杂面密度范围为（1.14~4.56）×1
PL光谱测试是在多可变条件宽波段红外调制PL光谱实验系统上完成的，系统中的傅里叶变换红外（Fourier Transform Infrared， FTIR）光谱仪以快速扫描模式运行。具体测试细节见文献［
变温PL光谱如
图1 掺杂面密度为1.14×1
Fig. 1 Variable temperature PL spectrum of GaSbBi SQW with a sheet density of 1.14×1
图2 不同掺杂面密度GaSbBi SQW样品和衬底的100 mW激发PL光谱
Fig. 2 100 mW PL spectra of GaSbBi SQW samples and Substrates with different sheet densities
其中在能量低于0.7 eV范围内，发光峰很宽，不同掺杂面密度的GaSbBi SQW及其相应参考样品在该范围内的PL半高宽列于
图3 掺杂面密度为1.14×1
Fig. 3 Power-dependent PL spectra of GaSbBi SQW with a sheet density of 1.14×1
为定量分析δ掺杂对GaSbBi SQW红外发光效率的影响，将I区PL强度进行积分，并与激发功率关联，结果如
图4 不同面密度GaSbBi SQW和其参考样品Ⅰ区PL的变激发功率积分强度，掺杂面密度分别为（a）1.14×1
Fig. 4 Excitation power-dependent PL integral intensity in region I for GaSbBi SQW samples with different sheet densities and the references. Sheet density： （a） 1.14×1
图5 Ⅰ区（a）和Ⅱ区（b）发光效率的相对降低
Fig. 5 Relative reduction of emission efficiency in region Ⅰ （a） and Ⅱ （b）
PL过程中两种机制可能导致发光效率的下降：（i）掺杂导致界面质量恶化，光生载流子受到SQW的界面散射，有效注入SQW的数量降低，如
图6 电子跃迁和复合过程示意图
Fig. 6 The schematic diagram of electronic transition and recombination process
为厘清这两种机制，对与GaSb势垒/衬底相关的II区PL积分强度进行分析。其与激发功率关系如
图7 Ⅱ区PL积分强度的激发功率演化，面密度分别为（a）1.14×1
Fig. 7 Excitation power-dependent PL integral intensity in region II， sheet density： （a） 1.14×1
更进一步的GaSbBi SQW PL峰值能量随激发功率的演化关系如
图8 不同掺杂面密度SQW及其参考样品Ⅰ区特征峰能量与激发功率的关系，面密度分别为（a）1.14×1
Fig. 8 PL peak energy vs excitation power for GaSbBi SQWs with different sheet density and the references. Sheet density： （a） 1.14×1
综上所述，对不同阱内δ掺杂面密度GaSb0.93Bi0.07 SQW及其非掺杂参考样品的激发功率依赖PL光谱研究的结果表明，GaSbBi SQW的阱内δ掺杂导致红外PL发光效率显著降低，相对下降幅度约为33%-75%。发光效率下降可归因于界面恶化引发的“电子损失”和阱内晶格质量下降导致的“光子损失”的共同效应。这一结果可望为稀Bi红外发光器件的性能优化提供帮助。
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