Fe掺杂GaN晶体低温光致发光谱的偏振及温度依赖性

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0043

摘要/Abstract

摘要： 本文利用低温光致发光光谱研究了Fe掺杂GaN晶体非极性m面的近带边DBE 1-LO、DBE_2e 1-LO、DBE 2-LO、DBE_2e 2-LO、DAP的偏振发光特性，结果表明五个峰均表现为偏振各向异性，且峰强度随着偏振角度的增加而增强，低温下Fe掺杂GaN单晶近带边发光峰均为部分偏振光，并表现出不同的偏振特性。其中激子峰的线偏振度远大于声子伴线，其线偏振度为35.1%，偏振特性显著，其线偏振度分别是一级声子伴线、二级声子伴线的6.22和16.56倍。随着Fe掺杂浓度的增大，Fe³⁺相关峰位均出现蓝移，峰位受温度影响不大。本研究有助于探究Fe掺杂GaN晶体发光机理并增强其在相关偏振光电器件中的应用。

关键词: 氮化镓; 光致发光; Fe掺杂; 光学性质; 偏振特性; 掺杂浓度

Abstract: This article uses low-temperature photoluminescence spectra to study the polarization luminescence characteristics of Fe-doped GaN crystal non-polar m-plane near band edge DBE 1-LO， DBE_2e 1-LO， DBE 2-LO， DBE_2e 2-LO， DAP. The results show that five peaks on the surface all exhibit polarization anisotropy， and the peak intensity increases with the polarization angle. At low temperatures， the near band edge emission peaks of Fe-doped GaN single crystals are all partially polarized light and exhibit different polarization characteristics. The linear polarization degree of the exciton peak is much greater than that of the phonon companion line， with a linear polarization degree of 35.1% and significant polarization characteristics. Its linear polarization degree is 6.22 and 16.56 times that of the first-order and second-order phonon companion lines， respectively. As the Fe doping concentration increases， the peak positions related to Fe³⁺ all show a blue shift， and the peak positions are not significantly affected by temperature. This study contributes to exploring the luminescence mechanism of Fe-doped GaN crystal and enhancing its application in related polarized optoelectronic devices.

Key words: GaN; photoluminescence; Fe-doping; optical property; polarization characteristic; doping concentration

中图分类号:

O734⁺.2

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图/表 7

图1 测试样品及其结构示意图。（a）GaN纤锌矿结构及其主要晶面晶向［17］；（b）m面原子排布示意图，空心为Ga原子，实心为N原子［17］；（c）m面的Fe掺杂GaN晶体实物照片；（d）m面样品XRD图谱

Fig.1 Test sample and its structural schematic diagram. （a） GaN wurtzite structure and its main crystal planes and orientations；（b） schematic arrangement diagram of m-plane atoms， with Ga atoms in the hollow and N atoms in the solid；（c） physical picture of m-plane Fe-doped GaN crystal；（d） XRD pattern of m-plane sample

图2 自主搭建的低温光致发光谱测试系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of a low-temperature photoluminescence spectroscopy testing system in independently built

图3 5 K时m面GaN单晶光致发光谱的测试结果

Fig.3 Measurement results of photoluminescence spectra at 5 K in m-plane GaN single crystal

图4 GaN光致发光谱随偏振角度的变化

Fig.4 Photoluminescence spectra of GaN varies with polarization angle

图5 m面GaN低温光致发光积分强度随偏振角度的变化

Fig.5 Low-temperature photoluminescence integrated intensity of m-plane GaN varies with polarization angle

图6 不同掺杂浓度的Fe掺杂GaN样品实物图

Fig.6 Physical images of Fe-doped GaN samples with different doping concentrations

图7 不同Fe掺杂浓度GaN的近红外变温PL光谱

Fig.7 Near infrared variable temperature PL spectra of GaN with different Fe-doped concentrations

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