无机有机杂化量子阱超晶格
半导体光学11量子阱, 超晶格,量子线, 量子点
比较：
Nipi 结构产生空间间接跃迁,能隙远小 于本征半导体的能隙. 极值点附近的势 能为抛物带（谐振子）,因此不论是电 子还是空穴的能级都是等间隔的. 另外，由于n层和p层之间夹着本征半 导体i层，因而电子和空穴的空间重叠 程度小，载流子的寿命长, 这就使得 Nipi结构制作的光电探测仪反应较慢.
▲△无限深势阱
▲波函数 n
r
, k //
V
1 2
exp
i
kx x
ky
y
cos
nz
lz
z
.
另一解为
n
r
, k //
expik//
r n z
V
1 2
exp
i
kx x
ky y
sin
nz
lz
z ,nz为奇数.
能带为
En k //
Enz
2
k
2 //
2me ,h
2
k
2 //
2 2nz2
▲△分类
Ⅰ型:电子和空穴在同一种材料中量子化；
Ⅱ型:电子和空穴在不同种材料中量子化； Ⅲ型:其中一种材料为半金属. ▲△制作 Ⅰ和Ⅱ两种材料晶格常数相近,但禁带不同. Ⅲ-Ⅴ化合物GaAs/ Al1yGay As (对任何y, 两者都具有相同的晶格常数).当y=0.5, GaAs与 Al1yGay As 都是直隙材料. GaAs/
▲一些受到限制的MBE过程被称为原子外 延（ALE)或迁移增强外延（MEE）, 该 方法可以将生成层控制到单层程度. ▲MBE中分子束或原子束无碰撞地通过 反应器中抽真空空间，射向衬底表面, 在生长面经物理、化学吸收结合，或再 吸解，该晶体生成过程远离热平衡. ▲相比之下，热壁外延（HWE或HWBE ）
半导体微结构物理效应及其应用讲座 第2讲 量子阱、超晶格物理及其在光电子领域中的应用
物理
讲! 座 类超晶格， 电子和空穴分别限制在 ’()* 和 +,-. 中/ 第三种是多元混晶超晶格， 如 ’(0 1 ! +, ! )* 2 +,-.0 1 " )* 3 ， +, 的组分 ! 和 )* 的组分 " 可分别调节， 以满 足晶格匹配条件和改变导带、 价带的相对位置/ 自然界中两种晶格常数相近的材料是很少的/ 实验上发现， 利用分子束外延也能生长晶格不匹配 的量子阱或超晶格/ 这时其中一种材料就产生应变/ 如果这个材料层的厚度超过了一个临界层厚度， 则 应变产生的能量就会被释放出来， 产生位错线/ 应变 将影响超晶格的电子态， 可被用来改善激光器的性 能/ ! / "# 自组织生长量子点 利用分子束外延 （ 456 ） 或者金属有机物化学 气相淀积 （ 4789:） ， 在一种材料上生长与衬底材料 有很大晶格失配的另一种材料/ 在长了一层很薄的 “ 湿润” 层后， 由于很大的应变能， 接着将生长三维 岛 （ 量子点） / 这种生长模式称为 -;<,(*=>?@<,*;,(AB 模式/ 生成的岛中可能有失配的位错， 也可能没有/ 没有位错的岛称为相干岛 （ CADE<E(; >*F,(G*） / 在 +,)* （ $$0 ） 上 生 长 的 ’()* 岛 （晶格失配
［ K］ M H
( )
（#）
这表明， 要达到激光工作， 有源区介质的增益必须等 于它的损失加两端激光输出的损耗/ 以上公式仅仅是光完全在有源区中传播的理想 情形， 没有考虑到光场在垂直方向上的分布/ 实际上 光场除了在有源区内， 还有部分衍射分布在上、 下两 )F+,)* 层中/ 由于只有在有源区中光才能放大， 因 此要求有源区中光的比例越大越好/ 为此定义光的 限制因子为
量子阱和超晶格完整版PPT
3.1 量子限制效应(quantum confinement effect)
量子阱宽度小于电子运动的Bloch波长，电子在垂直异质结结面 的方向（z方向）的运动约束到一系列分裂的能级。 设势能
解决方法：当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错。
电流达到极大，dI/dV=0。实验测得的（ 如果对电子进行二维或三维的限制，就得到一维量子线和零维量子点结构。
周期性地外延生长半导体超晶格：微带结构，布里渊区大大缩小，负微分电导。
dI/dV)-V曲
线上
发
都位于宽带材料的价带中 ，有金属化现象 原因：晶格常数相差很大，会引起薄膜之间产生失配位错而得不到良好质量的超晶格材料。 ， 如InAs/GaSb 超晶格。 超晶格多量子阱能带结构示意图
（3）微带超晶格红外激光器： 解决方法：当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错。 典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。 不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。 （3）光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器 在这种情况下，电子只能沿界面作自由运动，故可视作二维电子气。 *ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。 （2）量子级联激光器从电子跃迁的方式上可分为斜跃迁和垂直跃迁两种 。 1972年观察到负微分电导，输运的振荡现象，微带结构。 （2）可见光半导体激光器：红光半导体激光器和蓝绿光激光器 在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。 （1）Ⅱ-Ⅶ化合物半导体ZnSe：Sony公司在1998年实现了514nm，室温下连续工作400h。 即，在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生。
量子阱和超晶格课件
05
量子阱和超晶格的应用前景
量子阱在光电子器件中的应用
光子晶体管
量子阱结构可用于制造光子晶体管，这种器件可以控制光子的流动，从而实现光信号的放大和调制，提高光通信系统 的性能。
发光二极管（LED）
量子阱LED具有更高的发光效率和更好的色彩渲染能力，广泛应用于显示技术和照明领域。
超晶格对量子阱性能的影响
限域效应增强
超晶格结构可以增强量子阱的限 域效应，进一步限制电子的运动 范围，从而影响量子阱的性能。
调制掺杂效应
在超晶格中，不同材料之间的电 荷转移和调制掺杂效应可以对量 子阱中的载流子浓度和分布进行 调控，从而影响量子阱的输运性
质。
应变工程
超晶格中的应变可以传递给量子 阱，通过应变工程对量子阱的性 能进行调控，如改变发光波长、
量子阱和超晶格课件
• 量子阱概述 • 超晶格概述 • 量子阱与超晶格的关系 • 量子阱和超晶格的制备技术 • 量子阱和超晶格的应用前景 • 量子阱和超晶格的最新研究进展
01
量子阱概述
量子阱的定 义
定义
量子阱是一种利用量子力学原理 在纳米尺度上限制电子、光子等 微观粒子的运动，从而改变其物 理性质的人工结构。
精度提升
近年来，研究人员致力于发掘 新型材料用于量子阱的制备， 如铟砷磷、镓砷氮等，以拓展 量子阱在光电子、微电子领域 的应用范围。
低维材料，如二维材料和一维 纳米线等，作为量子阱的构成 元素，在新型量子阱材料的研 发中占据重要地位。它们具有 优异的物理性能和广泛的潜在 应用。
通过改进生长技术、优化生长 条件，实现量子阱材料的高精 度、高质量制备，以满足量子 计算和量子通信等高端应用的 需求。
量子阱材料的原理及应用
量子阱材料的原理及应用量子阱材料是一种特殊的半导体材料，其结构可以在一定范围内限制电子或空穴在一维或二维空间中运动。
量子阱材料的原理是通过能带结构的调控来限制粒子运动，并利用量子效应的特性对其进行操控。
下面将详细介绍量子阱材料的原理和应用。
量子阱的基本结构是由两种能带结构不同的半导体材料构成。
常见的量子阱结构包括二维电子气量子阱和两个半导体材料夹持的一维量子阱。
在二维电子气量子阱中，电子被限制在平面内，而在一维量子阱中，电子或空穴被限制在垂直于平面的方向上。
这种限制可以通过选择不同的材料和控制材料的厚度和形状来实现。
量子现象在量子阱材料中起着重要作用。
由于量子限制效应，电子或空穴在量子阱材料中的运动受到限制，只能在确定的能级上运动。
这导致了一些独特的电子性质和物理现象，如能带结构变窄、载流子质量增加、波函数的量子化等。
这些现象对材料的光电性质和电子输运性质产生了显著影响。
1.光电子器件：量子阱材料在光电子器件方面具有重要应用。
由于能带结构的限制，量子阱材料可以制备高效的光电子器件，如半导体激光器、太阳能电池、光敏元件等。
其中最重要的是半导体激光器，量子阱材料的能带结构变窄可以使得激光器的工作温度范围更宽，并提高激光器的效率和性能。
2.量子点和纳米结构材料：量子阱材料还可以用于制备量子点和纳米结构材料。
量子点是具有特定尺寸的纳米粒子，可以在量子阱中形成。
由于量子限制效应，量子点具有调控的能带结构和独特的光学性质，可广泛应用于光电子学、信息存储和生物医学等领域。
3.量子阱超晶格：量子阱材料可以用于制备超晶格结构，即多个量子阱层的周期性堆叠结构。
超晶格结构具有调控的光学和电子性质，可以用于设计新型的半导体器件，如太阳能电池、高频电子器件和量子计算机等。
4.半导体激光器辅助器件：量子阱材料还可以用于制备半导体激光器的辅助器件。
例如，量子阱放大器可以用于放大激光信号，增强激光器的输出功率。
量子阱调制器可以通过控制量子阱材料中的载流子浓度或能带结构的改变来实现调制激光器的功率和频率。
8.3 异质结量子阱及超晶格结构
第八讲8.3半导体异质结量子阱及超晶格结构量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。
如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。
量子阱中的电子在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的，而在与异质结界面平行的二维平面内作自由电子运动。
因此，把量子阱中的电子称为二维电子气（2DEG）。
（a）双异质结单量子阱（a）i-GaAs n-Al X Ga3-X As2--DEGE2E FE1△E C（b）调制掺杂异质结界面量子阱E GA E GB（一）双异质结间的单量子阱结构双异质结结构： Alx Ga1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求GaAs层足够薄。
1、导带量子阱中的电子能态设势阱的宽度为l ，取垂直于界面的方向为z 轴，势阱中间点为原点，求解薛定谔方程，可得到如下结论：（一）双异质结间的单量子阱结构（1）势阱中电子沿 z 轴方向运动受限，在平行于结面的运动是自由的，形成了二维电子气；（2）势阱中电子态的能值分裂为一些分立能级E1，E2…，E i…，对应于电子的束缚态，如图3所示；图3 双异质结单量子阱中的能级分布（3）E z<ΔE c 时，电子的波函数在势阱内为 z 的正弦或余弦函数,如图 4 所示；（4）不管 ΔE c 值的大小，至少有一个解存在；（5）势阱深度 ΔE c 越大，阱内的束缚态越多；（6）势阱中的状态密度变为台阶状分布，如图 5 所示。
图 4 束缚态能级与波函数图 5 电子态密度分布2、价带量子阱中的空穴能态在Al x Ga1-x As/GaAs/Al x Ga1-x As 双异质结量子阱中，空穴处于价带量子阱中，也在与结面平行的面内形成二维空穴气。
势阱中空穴态的能值分裂为一些分立能级，形成空穴的束缚态能级。
由于轻、重空穴有效质量的不同，形成轻重空穴能级混合交叉的分立束缚态能级。
如图 6 所示。
（二）调制掺杂异质结界面量子阱1、调制掺杂异质结的能带结构：图7 异质结界面处的能带及势阱n +-AlGaAs 与本征GaAs 构成异质结时，电子将从n +-AlGaAs 注入到本征GaAs 中，平衡时结两边具有统一的费米能级，在异质结界面处GaAs 一侧形成了一个三角形的势阱。
超晶格、光子晶体及声子
8
超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 3
半导体超晶格主要分为组分超晶格 和 半导体超晶格主要分为 组分超晶格和 掺 组分超晶格 杂超晶格两大类 两大类。 杂超晶格两大类。图1是它们的结构和能 是它们的结构和能 带的示意图。图中Eg1和 Eg2分别是窄禁 带的示意图 。 图中 和 分别是窄禁 带和宽禁带组分的禁带宽度，Ege是超晶 带和宽禁带组分的禁带宽度， 是超晶 格结构的有效禁带宽度。 格结构的有效禁带宽度。
15
但在小区边界上能量 不连续， 并出现禁带。 不连续 ， 并出现禁带 。 这样， 这样 ， 原来半导体的 每个导带就变成由许 多 亚 带组 成 ， 见 图 2 。 折叠， 这种现象称为折叠 这种现象称为 折叠 ， 其小区的数量为d/a。 其小区的数量为 。 图2超晶格布里渊区和亚带 超晶格布里渊区和亚带
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超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 10
• 量子阱的分离能级
图3 GaAs-Al0.3Ga0.7As超晶格结构中的分立能级 超晶格结构中的分立能级
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• 量子阱的结构
图4 AlGaAs/GaAs量子阱结构 量子阱结构
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超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 12
• 负阻效应 中曲线BC 图 5中曲线 中曲线 显示负阻效应， 显示负阻效应 ， 即遂穿电流随 电压的升高而 降低。 共振遂穿三极管的I-U曲线 图5 共振遂穿三极管的 曲线
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超晶格材料——量子阱 二、超晶格材料——量子阱 8
• 超晶格的布里渊区和亚带结构
用周期为a的晶体生长成周期为 的超晶格结构 由于d 用周期为 的晶体生长成周期为d的超晶格结构，由于 的晶体生长成周期为 的超晶格结构， 大很多， 比a大很多，所以在倒易空间中，超晶格的周期比晶体 大很多 所以在倒易空间中， 的周期小很多。一维晶体的第一布里渊区(-π/a，π/a)， 的周期小很多。一维晶体的第一布里渊区 ， ， 由于d>a，所以将使超晶格结构原布里渊区分割成许多 ， 由于 小区，其第一子区的范围是 小区，其第一子区的范围是(-π/d，π/d)。由于超晶格中 ， 。 势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦 势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦合，使其量子能级 扩展为窄能带，称为亚带 或子带 或子带)， 扩展为窄能带，称为亚带(或子带 ，带内能量几乎是连 续的。 续的。
功能材料名词解释复习题
名词解释复习题磁致伸缩效应：是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。
巨磁阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
异质结：两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。
超晶格：如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。
量子阱：是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。
气敏陶瓷：是用于吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
正压电效应：是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
热释电效应：在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。
铁电效应：是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。
光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光电导效应：是辐射引起半导体材料电导率变化的现象。
形状记忆效应：是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。
热敏陶瓷：PTC是一种具有正温度系数的半导体陶瓷元件、NTC是指具有负温度系数的半导体陶瓷元件、CTR是电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻。
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Appl. Phys. Lett. 95, 173305 2009
进展
性能控制
Appl. Phys. Lett. 95, 173305 2009
进展
与上述类似，有人做了 (C8H13NH3)2PbI4多 量子阱，测试性质很接近。
结论：利用这一类特殊的有机/无机自 组装杂化物的相转换特性，及其光学特 性，可将其应用到光电子设备。
特征
1. 量子限域效应
GaAs/AlGaAs多量子阱的光吸收谱
特征
2. 量子阱中的激子效应
与三维体材料相比，量子阱材料中，电子 和空穴的库仑相互作用得到增强，激子效 应随系统尺寸减小而增加，即使在室温下， 量子阱吸收光谱中也能看到很强的激子吸 收峰。
特征
3. 二维电子气 半导体表面反型层中的电子与势阱的 宽度相当，发生量子尺寸效应，在垂 直方向的运动丧失了自由度，只存在 表面内两个方向的自由度，它的散射 几率比三维电子气小得多，因此迁移 率很高。
提出
2. 实验背景
1969年两位半导体物理学家江崎和朱 兆祥在实验中发现了反常电流-电压特 性，包括负阻效应；1972年用MBE技 术首先生长了GaAlAs超晶格异质结半 导体，并且验证了负阻效应的存在， 同时也验证了二维晶体和三维晶体能 带的差别。
提出
B
A
半导体量子阱的结构示意图
量子阱的能带结构示意图
进展
XRR测试
J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 32, No. 1, Jan/Feb 2014
进展
材料的电学和热电性质
J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 32, No. 1, Jan/Feb 2014
进展
2. (C12H25NH3)2PbI4多量子阱
进展
1. ZnO和有机分子 作者用ALD/MLD方法制备了ZnO和 有机分子(HQ、AP、ODA)的超晶格 结构的薄膜。ZnO和有机分子按几 种不同比例进行，目的是看比例对 超晶格结构的影响。
J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 32, No. 1, 2. 特征 3. 进展 4. 下步工作
提出
1. 物理背景 量子物理和凝聚态物理在半导体方面的研 究和发展，特别是量子物理的发展，为超 晶格量子阱的发现和提出奠定了基础。 在物理学上的两大突破：一是把量子物理 的研究范围扩宽到更大的尺寸；二是在人 类历史上第一次出现人工设计晶体结构并 制造周期性晶体。