通过表面金属化实现(Cd,Mn)Te量子阱中的空穴到电子的跃迁

《Solid State Communications》：Hole to electron crossover in a (Cd,Mn)Te quantum well through surface metallization

量子阱表面金属化对电荷性质影响研究。测试Au、Ag、Cr、Ni、Ti五种金属10nm层，发现Au和Ni使p型量子阱转为n型，归因于金属与半导体强键合钝化表面并促进电子扩散。

　　

A. Dydniański | M. Raczyński | A. ?opion | T. Kazimierczuk | J. Kasprzak | K.E. Po?czyńska | W. Pacuski | P. Kossacki

华沙大学物理学院实验物理研究所，Pasteura街5号，华沙，02-093，波兰

摘要

在这项研究中，我们探讨了接触材料如何影响基于p型CdTe的量子阱的局部电荷特性。我们研究了五种金属在样品表面沉积形成的10纳米层：Au、Ag、Cr、Ni和Ti。我们利用磁光谱技术通过监测单重态-三重态跃迁时的塞曼位移来区分它们的电荷状态。大多数测试的金属保持了量子阱的原始p型属性，而金和镍的覆盖则使局部掺杂类型变为n型。这归因于这两种金属与半导体的强结合，有效地钝化了其表面，从而改善了电子从金属到量子阱的扩散。

引言

半导体量子阱（QWs）是二维结构的典型例子。得益于成熟的外延生长技术，如今它们具有出色的晶体质量，成为研究各种激子复合体的理想平台。特别是基于CdTe的量子阱是首次报道存在带电激子的系统[1]。在II-VI族半导体基质中分散Mn²⁺离子可以增强磁场对载流子的作用，这是通过sp-d交换相互作用实现的[2]。这种现象是稀磁半导体的特征，它导致了巨大的磁光效应，如巨大的塞曼分裂和巨大的法拉第旋转[3]。这些效应还使得载流子的自旋极化变得高效。研究带电激子复合体需要精确控制并调节量子阱中的载流子密度。这可以通过调制掺杂或施加外部控制的电场来实现。在大多数情况下，电压控制需要制造导电接触，最简单的方式是在表面形成金属层[4]。（Cd,Mn）Te/(Cd,Mg)Te量子阱具有薄的势垒帽，这是本研究的对象，已知它们本质上是p型的——二维空穴气（2DHG）来源于（Cd,Mg）Te的表面态[5]，[6]。此外，先前已经证明通过施加额外的势垒上照明可以调节有效的掺杂密度[7]。在这项工作中，我们研究了表面金属化对由表面态引入的载流子的影响。具体来说，我们探讨了接触材料如何影响载流子的符号。我们比较了五种金属（Au、Ag、Ni、Ti和Cr）的结果。令人惊讶的是，只有Au和Ni能够将量子阱的掺杂类型转变为n型。这表明，仅仅基于金属功函数的简单解释是不够的。

我们的研究采用了一种简单的全光无接触方法来检测量子阱中的载流子。在光致发光（PL）或反射光谱中，观察到带电激子（X⁺/X^?）线与中性激子（X）线的存在是载流子存在的明确标志。然而，仅通过光学手段确定带电激子的符号（即载流子类型）是具有挑战性的[8]。通常需要更先进的方法。一种常见的方法是在栅控样品中测量PL作为施加电压的函数。然而，这需要在导电基底上生长样品，这并不总是可行的。在本文中，我们利用了一种替代技术来确定带电激子的符号：在磁场中测量PL。这种方法允许我们通过监测研究系统中的单重态-三重态跃迁来区分X⁺和X^?，这种方法已经在之前的（Cd,Mn）Te QW研究中成功应用[6]，[9]。

样品和实验

本文研究的样品是通过分子束外延（MBE）生长而成的，包含一个量子阱。其结构如图1(a)所示。在半绝缘的GaAs（100）基底上，首先生长了一层厚度为3.5 μm的CdTe缓冲层，然后生长了一层厚度为2 μm的（Cd_0.77,Mg_0.23）Te层作为量子阱的下层势垒。接下来，沉积了一层10 nm的（Cd,Mn）Te量子阱层，再覆盖一层50 nm的（Cd_0.77,Mg_0.23）Te势垒帽。

量子阱中的锰浓度为

不同金属对量子阱光学响应的影响

所有样品都经过了初步的光致发光（PL）测量。图1(b)展示了来自金属化区域以及作为对比的原始区域的光致发光光谱。正如预期的那样，由于金属的高消光系数和在空气-金属界面的反射，金属覆盖区域的PL强度被抑制了。因此，下方的量子阱接收到的激发能量减少，发出的可检测光也减少了。

测量的PL光谱大多

（Cd,Mn）Te量子阱在磁场中的研究——通过单重态-三重态跃迁确定掺杂类型

零场光致发光光谱不足以区分掺杂的符号，因为正电荷（X⁺）和负电荷（X^?）激子的X-CX分裂非常相似[8]，[12]，[13]。为了推断掺杂类型，我们进行了磁光谱测量。

由于（Cd,Mn）Te材料中的sp-d交换作用，电子和空穴子带表现出与Mn²⁺离子的平均自旋成正比的巨大塞曼分裂。分裂程度由ΔEλ = μs_Mn< />_S给出。

总结

在这项研究中，我们研究了表面金属化对10纳米p型（Cd,Mn）Te/(Cd,Mg)Te量子阱的电荷特性的影响。在量子阱表面蒸发了或溅射了10纳米厚的Au、Ag、Ni、Ti和Cr金属接触层。在低温下的PL光谱显示，除了Ag之外，大多数金属都导致了光谱线形的显著变化，Ag的唯一变化是PL强度的变化。磁光谱技术被用来进一步分析

CRediT作者贡献声明

A. Dydniański：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、概念化。M. Raczyński：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。A. ?opion：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。T. Kazimierczuk：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。J. Kasprzak：撰写——审稿与编辑、资源准备、方法论。K.E. Po?czyńska：撰写——审稿与编辑、资源准备。W. Pacuski：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了波兰国家科学中心（Polish National Science Centre）的支持，依据的决策编号为DEC-2020/38/E/ST3/00364、DEC-2021/41/B/ST3/04183和DEC-2023/51/B/ST3/01710。