摘要
稀Bi半导体InPBi的光致发光（Photoluminescence， PL）主要来自缺陷能级跃迁过程，具有红外长波长、大线宽和高辐射强度等特点，因而引发广泛兴趣。针对InPBi的红外发光效率问题，本文研究了不同Bi组分InPBi的激发功率依赖红外PL光谱演化规律。实验发现，随着Bi组分增大，PL线型发生显著变化，导致发光波长总体红移；同时激发功率依赖的PL积分强度演化分析表明，发光效率随Bi组分先增大然后下降，在0.5%组分时发光效率达到峰值。发光效率增大一方面归因于Bi捕获空穴降低非辐射复合，另一方面来自Bi的表面活性剂效应；而高Bi组分引入过多缺陷从而抑制了Bi的优势，导致发光效率下降。这些结果或有助于理解InPBi的红外发射性能，表明InPBi具有红外光电子应用前景。
III–V族稀铋（Bismuth， Bi）半导体因其在红外激光二极管、发光二极管和光电探测器等光电应用方面的潜力而备受关
光致发光（Photoluminescence，PL）光谱是研究半导体辐射光特性和规律的经典手段，具有非破坏、高灵敏等优
采用V90气态源分子束外延设备在半绝缘InP（001）晶面衬底上生长InP1-xBix材
图1 （a） 不同Bi浓度InPBi的77 K-PL光谱及其线型拟合，（b）和（c）Bi组分依赖的PL特征峰能量和积分强度
Fig. 1 （a） PL spectra of InPBi with different Bi compositions at 77 K， （b） and （c） the Bi composition-dependent PL energy and integral intensity， respectively
为此开展了激发功率依赖的InP1-xBix PL光谱测试。代表性InPBi样品的变激发功率PL光谱如
图2 代表性InP1-xBix （x=0.3%、0.5%和1.7%）的激发功率依赖PL谱，所有光谱做归一化处理，箭头线示意特征峰随激发功率的演变
Fig. 2 Excitation power-dependent PL spectra of the representative InP1-xBix （x=0.3%， 0.5% and 1.7%）， spectra are normalized， the arrow line is the guide for the PL energy evolution with excitation power
同时，PL特征能量随着激发功率的增大而微弱蓝移。
| x （%） | α | β | γ |
|---|---|---|---|
| ΔE （meV） | |||
| 0.05 | 5 | 14 | |
| 0.1 | 2 | 17 | |
| 0.3 | 4 | 6 | |
| 0.5 | 4 | ||
| 1.0 | 5 | ||
| 1.35 | 3 | ||
| 1.7 | 11 | 9 | |
| 2.0 | 10 | 7 | |
| 2.4 | 7 | 5 | |
为进一步澄清InPBi红外PL性质，下面分析InPBi共有特征β的激发功率依赖辐射复合特性演化，以便理解禁带下PL效率与Bi组分的关系。
| ， | (1) |
其中，a为与发光类型相关的参数。基于该公式，对特征β的积分强度进行拟合，结果表明，对不同Bi组分，，说明在10~200 mW功率范围内，积分强度随功率的演化呈现线性关系。
图3 （a）不同组分InPBi特征β的积分强度与激发功率关系，（b）积分强度-功率演化斜率与Bi组分的关系
Fig. 3 （a） The integral intensity of PL feature β versus the excitation power for InPBi with various Bi compositions， （b） slopes derived versus Bi composition
定义PL的辐射总光子数与材料吸收泵浦光子数的比值为PL效率，表示材料将短波光子转化为长波光子的能力。假设在本实验范围，InPBi对泵浦激光的吸收效率和PL测量系统传递函数不依赖于Bi组分和光谱范围，则PL效率正比于。由于特征β积分强度的线性关系，PL效率不随激发功率变化而变化，意味着俄歇复合效应可忽略不
斜率与Bi组分的关系如
对不同Bi组分InPBi开展了激发功率依赖的PL光谱研究，结果表明：InPBi禁带下PL线型与Bi组分密切关联。对其中PL特征β，Bi组分增大导致辐射波长红移；同时PL效率随Bi组分增加先增大后减小，在组分为0.5%时达到峰值。Bi致PL效率增大可归因于Bi的空穴捕获降低非辐射复合能力和Bi表面活性剂效应。过高的Bi组分导致材料的缺陷显著增大，从而非辐射复合占据主导地位，PL效率下降。这一结果有望为InPBi的发光性能优化提供帮助。
致谢
作者感谢瑞典查尔姆斯理工大学王庶民教授为本工作提供样品。
References
Alberi K， Wu J， Walukiewicz W， et al. Valence band anticrossing in mismatched III-V semiconductor alloys［J］. Phys. Rev. B， 2007， 75： 045203–045208. [百度学术]
Francoeur S， Seong M J， Mascarenhas A， et al. Band gap of GaAs1-xBix， 0<x<3.6%［J］. Applied Physics Letters， 2003， 82（22）：3874-3876. [百度学术]
Rajpalke M K， Linhart W M， Yu K M， et al. Bi flux-dependent MBE growth of GaSbBi alloys［J］. Journal of Crystal Growth， 2015， 425： 241-244. [百度学术]
Ma K Y， Fang Z M， Jaw D H， et al. Organometallic vapor phase epitaxial growth and characterization of InAsBi and InAsSbBi［J］. Applied Physics Letters， 1989， 55（23）：2420-2422. [百度学术]
Kopaczek J， Kudrawiec R， Polak M P， et al. Contactless electroreflectance and theoretical studies of band gap and spin-orbit splitting in InP1-xBix dilute bismide with x ≤ 0.034［J］. Appl. Phys. Lett.， 2014， 105（22）： 222104. [百度学术]
Wu X， Chen X， Pan W， et al. Anomalous photoluminescence in InP1-xBix［J］. Scientific Reports， 2016， 6：27867. [百度学术]
K Wang， Y Gu， H F. Zhou，et al. InPBi Single Crystals Grown by Molecular Beam Epitaxy. Sci. Rep. 2014， 4， 5449. [百度学术]
Bhowal M K， Das S， Sharma A S， et al. Anomalous increase of sub-band gap photoluminescence from InPBi layers grown by liquid phase epitaxy［J］. Materials Research Express， 2019， 085902. [百度学术]
Gandouzi F. Hedhili F， Rekik N. A density functional theory investigation of the structural and optoelectronic properties of InP1-xBix alloys［J］. Computational Materials Science， 2018， 149：307-315. [百度学术]
L. Y. Wu， P. F. Lu， C. H. Yang， et al. The effect of BiIn hetero-antisite defects in In1–xPBix alloy［J］. Journal of Alloys & Compounds， 2016， 674： 21–25. [百度学术]
Shao J， Lu W， Lu X， et al. Modulated photoluminescence spectroscopy with a step-scan Fourier transform infrared spectrometer［J］. Review of Scientific Instruments， 2006， 77（6）：063104. [百度学术]
Yan B， Chen X， Zhu L， et al. Bismuth-induced band-tail states in GaAsBi probed by photoluminescence［J］. Applied Physics Letters， 2019， 114（5）：052104. [百度学术]
Dou C， Chen X， Chen Q， et al. Photoluminescence Evolution with Deposition Thickness of Ge Nanostructures Embedded in GaSb［J］. Physica status solidi， B. Basic solid state physics， 2022（4）：259. [百度学术]
Chen X， Zhu L， Zhang Y， et al. Modulated Photoluminescence Mapping of Long-Wavelength Infrared InAs/GaSb Type-II Superlattice： In-Plane Optoelectronic Uniformity［J］. Physical Review Applied， 2021， 15（4）： 044007. [百度学术]
Chen X R， Wu X Y， Yue L， et al. Negative Thermal Quenching of Below-bandgap Photoluminescence in InPBi［J］. Appl. Phys. Lett. 2017， 110 （5）： 051903. [百度学术]
Pan W， Wang P， Wu X， et al. Growth and material properties of InPBi thin films using gas source molecular beam epitaxy［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2016， 656：777-783. [百度学术]
Shao J， Lu X， Yue F， et al. Magnetophotoluminescence study of GaxIn1-xP quantum wells with CuPt-type long-range ordering［J］. Journal of Applied Physics， 2006， 100（5）：1399. [百度学术]
Shao J， Lu C， Wei L， et al. Backside-illuminated infrared photoluminescence and photoreflectance： Probe of vertical nonuniformity of HgCdTe on GaAs［J］. Applied Physics Letters， 2010， 96（12）：091101. [百度学术]
Shao J， Lu W， Tsen G， et al. Mechanisms of infrared photoluminescence in HgTe/HgCdTe superlattice［J］. Journal of Applied Physics， 2012， 112（6）：663. [百度学术]
Shao J， Qi Z， Zhao H， et al. Photoluminescence probing of interface evolution with annealing in InGa（N）As/GaAs single quantum wells［J］. Journal of Applied Physics， 2015， 23（16）：165327. [百度学术]
Dreszer， Chen， Seendripu， et al. Weber， Phosphorus antisite defects in low-temperature InP［J］. Physical Review B， Condensed matter， 1993， 47 （7）： 4111-4114. [百度学术]
Łukasz Gelczuk， Stokowski H， Kopaczek J， et al. Bi-induced acceptor level responsible for partial compensation of native free electron density in InP1-xBix dilute bismide alloys［J］. Journal of Physics D Applied Physics， 2016， 49（11）：115107. [百度学术]
Lu X， Beaton D A， Lewis R B， et al. Composition dependence of photoluminescence of GaAs1-xBix alloys［J］. Applied Physics Letters， 2009， 95（4）：2245. [百度学术]
Chen X R， Alradhi H， Jin Z M， et al. Mid-infrared Photoluminescence Revealing Internal Quantum Efficiency Enhancement of Type-I and Type-II InAs Core/shell Nanowires［J］. Optics Letters， 2022， 47 （19）： 5208-5211. [百度学术]
Chichibu S F， Uedono A， Onuma T. Origin of defect-insensitive emission probability in In-containing （Al，In，Ga）N alloy semiconductors［J］. Nature Materials， 2006， 5（10）：810-6. [百度学术]
Pillai M R， Kim S S， Ho S T， et al. Growth of InxGa1-xAs/GaAs Heterostructures Using Bi as a Surfactant［J］. Journal of Vacuum Science & Technology B， 2000， 18 （3）： 1232-1236. [百度学术]