基于第一性原理的计算方法研究GaAs:Er3+集成发光材料中4f相关电子跃迁的光电特性

《Journal of Luminescence》：First-principles calculations to investigate photoelectric characteristics of 4f-related electronic transitions for GaAs:Er3+ integrated luminescent materials

　　

摘要

GaAs:Er³⁺材料在全集成片上激光器应用中具有巨大潜力。本研究通过第一性原理计算，研究了Er_xGa_1-xAs（x = 0, 0.03125, 0.0625, 0.09375）体系的晶体结构、弹性性质、电子特性、光学性质以及热力学性质。Er³⁺掺杂会引入由Er-4f轨道产生的能隙中间陷阱态，这些状态可作为有效的复合中心。随着Er³⁺掺杂浓度的增加，价带电子跃迁到导带所需的能量降低，而陷阱能级的带宽则增大。计算得到的光谱显示出红移现象，并出现与Er³⁺相关的新的峰。对于Er_xGa_1-xAs（x = 0.03125, 0.0625, 0.09375），介电函数的虚部在0-2 eV范围内显著上升，且在约0.942 eV处出现新的峰。吸收系数在0-2 eV范围内也显著增加，而在1.262 eV附近出现与Er-4f跃迁相对应的新峰。通过对计算得到的电子结构和光学性质的分析，揭示了Er³⁺掺杂GaAs的发光特性及机制。在GaAs中，Er³⁺陷阱中心能够捕获电学或光学产生的电子和空穴，形成束缚激子。这些激子的复合能量传递给Er³⁺，使其从基态共振跃迁到第一激发态，从而通过受激辐射产生1550纳米的光子。这些研究结果表明，GaAs:Er³⁺有望成为稀土掺杂的全集成半导体激光器的新型增益介质。

引言

由于硅光子芯片在高速光通信领域的广泛应用，对其需求不断增长，然而，具备稳定波长和窄线宽的片上激光器依然是亟待解决的问题[1]、[2]、[3]、[4]。传统硅材料由于其间接带隙，导致辐射复合效率较低，从而阻碍了激光器的产生[5]。为实现硅光子学中的片上激光器，人们已经研究了多种集成方案，包括均匀集成、异质外延以及III-V/Si混合集成等[6]。均匀集成技术主要包括硅基纳米结构的制备、稀土离子掺杂以及受激拉曼散射，但该技术仍存在发光效率低且依赖光泵浦等技术瓶颈。异质外延生长技术在开发基于Si衬底的III-V量子点激光器方面取得了显著进展[7]、[8]、[9]，不过，由于III-V化合物与硅之间的晶格失配较大，会导致大量的位错，因此将工作波长扩展到1550纳米的C波段仍然面临挑战[10]。通过键合方法将III-V材料与硅实现异质集成，虽然性能更优，但1550纳米的半导体激光器仍存在线宽较宽以及温度变化会导致波长偏移的问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

稀土掺杂半导体则为这一领域提供了另一种有吸引力的解决方案，它们利用4f内部跃迁来实现与宿主材料无关且不受温度影响的窄线宽发光效应[17]。Er³⁺掺杂的III-V半导体可以通过Er³⁺的4f内部跃迁，在1.54微米处产生尖锐且温度稳定的发光信号，这一跃迁对应于从⁴I_13/2能级到⁴I_15/2能级的跃迁。目前已有多种电泵浦器件得到实现，比如Er掺杂的GaAs以及Er,O掺杂的LED[18]、[19]、[20]。在采用Er³⁺:GaInAsP作为活性层的稀土/半导体注入激光器中，实现了1.5322微米的稳定单纵模激光输出，且其温度漂移极小，仅为1.0埃/摄氏度[21]。在基于p型衬底生长的OMVPE法制备的GaInP/GaAs:Er,O/GaInP分布式反馈激光器中，也观察到了来自Er³⁺的1.54微米电致发光现象[22]。基于以上原因，GaAs:Er³⁺有望成为理想的片上激光器材料。了解Er³⁺掺杂GaAs的电子结构与其光电特性之间的关系，对于理解其发光机制以及开发新的光电器件具有重要意义。

近期，Ahmed利用第一性原理计算方法，系统地研究了KMS₂（M = Nd, Ho, Er, Lu）的电子、磁性和光学性质[23]。Zhao等人分别研究了Eu掺杂的BiOX（X = F, Cl, Br, I）以及Eu掺杂的BiOCl材料的电子结构与光致发光机制[24]、[25]。此外，Meng等人还通过计算研究了镧系元素掺杂荧光体中的4f相关电子跃迁，发现了Lu₂O₃:Ln中的不同跃迁模式，并阐明了BaLaGa₃O₇:Nd中的4f-5d混合效应引发的发光机制[26]、[27]。Xian Zhang等人运用密度泛函理论对Er:Lu₂O₃进行了研究，发现Er³⁺掺杂能够有效改变其电子结构和光学性质，这表明该材料在激光器领域具有应用潜力[28]。许多研究团队也利用第一性原理计算来研究稀土掺杂材料的发光特性[29]、[30]、[31]，计算结果与实验观测值高度吻合，这说明第一性原理计算有助于深入理解Er³⁺掺杂GaAs的光物理性质，为新型发光材料的开发提供指导[23]。

本文旨在通过理论分析Er³⁺掺杂GaAs中4f相关电子跃迁的光电特性，为未来开发高功率、窄线宽的1550纳米集成片上GaAs激光器奠定基础。我们利用第一性原理计算，研究了Er³⁺掺杂浓度对Er_xGa_1-xAs（x = 0, 0.03125, 0.0625, 0.09375）体系光电特性的影响。研究探讨了不同Er³⁺掺杂浓度对晶体结构、能带结构、态密度、电子密度以及光学性质的影响。基于计算结果，深入分析了电子结构与发光特性之间的内在关系，为开发新型稀土掺杂集成半导体激光器提供了理论依据和可行的研究方向。

章节摘录

计算方法

我们采用了基于平面波伪势方法的剑桥系列总能量包CASTEP代码中的第一性原理周期密度泛函理论计算方法，来研究Er_xGa_1-xAs（x = 0, 0.03125, 0.0625, 0.09375）的晶体结构、电子性质、光学性质以及热力学性质[32]。在平面波伪势计算中，Ga、As和Er的原子核分别采用超软伪势处理，而交换-相关效应则通过相应的理论模型进行描述。

结构参数

图1展示了Er_xGa_1-xAs（x = 0, 0.03125, 0.0625, 0.09375）的晶体结构。未掺杂的GaAs（x = 0）属于立方闪锌矿结构（空间群为F-43m，编号为216），其中Ga原子占据4a（0,0,0）位置的Wyckoff位置，而As原子则位于4c（0.25,0.25,0.25）位置的Wyckoff位置，如图1(a,b)所示。Er³⁺掺杂样品则是以闪锌矿结构的GaAs为基底，构建出2×2×2的超胞模型，Er原子作为取代掺杂剂存在于Ga原子的位置上。在此基础上，共研究了三种不同的取代掺杂方式。

结论

综上所述，我们运用密度泛函理论中的GGA+U近似，通过第一性原理计算方法，研究了Er_xGa_1-xAs（x = 0, 0.03125, 0.0625, 0.09375）的晶体结构、弹性性质、电子特性、光学性质以及热力学性质。本研究旨在深入理解Er³⁺掺杂GaAs的发光特性及其机制。我们的主要研究发现如下：首先，通过对结构稳定性的分析发现

作者贡献说明

Chong Li：数据整理。 Wei Li：数据整理、概念设计。 Jun Qi：正式分析。 Jingjing Dai：文章撰写——审阅与编辑、项目监督、概念设计。 Shengnan Li：文章撰写——初稿撰写、软件使用、实验研究、数据整理。 Mengchao Du：正式分析。 Dongyue Jin：正式分析。 Zhiyong Wang：文章撰写——审阅与编辑。 Pengzhuo Wang：正式分析

数据可用性

在本研究中，没有生成或分析任何数据集。

资金支持

本研究没有获得任何来自公共机构、商业机构或非营利组织的资助。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

Shengnan Li|Jingjing Dai|Wei Li|Chong Li|Jun Qi|Dongyue Jin|Mengchao Du|Pengzhuo Wang|Zhiyong Wang

北京工业大学，中国北京100124