量子阱和超晶格共56页文档
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 ）
无机有机杂化量子阱超晶格
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
量子阱和超晶格分析
（4）多维超晶格 一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点 来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。 进一步发展这种思想，把载流子再限制在低维空间中，可能会 出现更多的新的光电特性。用 MBE 法生长多量子阱结构或单量 子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。
§4 超晶格量子阱的光学性质
4.1 4.2 4.3 4.4 吸收光谱实验 激子光谱 激子的饱和吸收 室温荧光特性
超晶格光学性质的研究除了传统上的意义之外，超晶格 的光吸收谱，荧光发射谱、激发谱、光反射谱、拉曼光 谱等是研究超晶格电子结构的主要手段，特别是光谱研 究所揭示的超晶格量子阱新颖的光学性质，为新器件原 理提供了有效的实验依据。
Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种： *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。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和 空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃 迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。
ⅡB类超晶格：禁带错开更大，窄带材料的导带底和价带顶 都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如 InAs/GaSb 超晶格。
§3 超晶格量子阱中的新现象
3.1 量子限制效应(quantum confinement effect) 3.2 共振隧穿效应 3.3 超晶格中的微带
3.4 声子限制效应
3.5 二维电子气
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
GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱宽下激子吸收光谱。l表示 GaAs阱宽，T=2K。随阱宽的减少呈现台阶形的吸收谱，阱宽 为400nm时阶消失。
半导体超晶格与多量子阱
• 生长 InGaAs/InP 超晶格通常使用含有 In 、 Ga 的 金属有机物做为Ⅲ族源，PH3和AsH3为Ⅴ族源。 • InxGa1-xAs与衬底InP在x=0.53时两者晶格匹配，偏 离这一点将产生失配。偏离越大，失配越大。 x>0.53时产生压缩应变，x<0.53时产生伸张应变。 为 了 生 长 无 失 配 的 InGaAs/InP 界 面 ， 必 须 严 格 控 制 x=0.53。 • 生长速率是由反应物输入总量决定 ，一般生长 InP 和 InGaAs 分别控制在 0.1~0.3nm/s 和 0.2~0.5nm/s 为宜。
HgTe Ec1 Ev1 Λ
CdTe Ev2
EF Γ B
一、 组分超晶格的制备
制备组分超晶格时应满足如下的要求：
（1）组分超晶格是超薄层异质周期排列结构，因此制备 时生长速率应能精确地控制，以保证各层厚度的重复性；
（2）异质界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这 就要求生长时源的变化要快，且在保证晶体质量的条件 下，生长温度尽可能的低，以防层间组分的互扩散；
半导体超晶格与多量子阱
半导体超晶格是由两种或两种以上性质不同的超薄层材料 交替生长而成的多层结构晶体。相邻两层不同材料的厚度 的和称为超晶格的周期长度。 一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更 长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。 各超薄层的厚度要与电子的de Brog1ie波长相当。设半导体 中电子的有效质量m*约为自由电子质量的l／10，能量E约 为0.1eV，则电子的de Broglie波长大致为
生长时应控制在层状生长，防止岛状生长并且采取合适 中断生长工艺，以防止界面处组分的互掺等。
界面的特性可利用PL谱和X射线双晶衍射技术来研究。
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。
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。
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、量子井及声子知识
光子分子的扫描电镜照片，即用两个光
子原子构成一个类H+2分子。随着两个光 子原子间距的缩小，基态光子模式分裂 为两个能级，见图11(b)。
35
图 11(a) 光子分子结构的SEM照片 (b) 光子分子的光致 发光谱，从上往下光子原子间距逐渐缩小
36
三、光子晶体 12
当两个光子原子靠近时，光场发生重叠，光子 原子的简并能级发生分裂，形成成键态和反键 态，使得一个能级抬高(反键态)，另一个能级
30
三、光子晶体 6
大量的原子按一定的空间排布结合在一起组成 晶体。在这些结构中，原子是有规则排列的， 价电子不再专属于某个原子，而是在晶体中做
共有化运动，因此原子的某些分立的能级形成
由一定能量范围内准连续分布的能级组成的能
带，相邻两个能带之间可能存在一定的能量区
间，称为能隙。电子不能在能隙中存在，只能 在能带间跳跃。
由于d>a，所以将使超晶格结构原布里渊区分割成许多 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合，使其量子能级 扩展为窄能带，称为亚带(或子带)，带内能量几乎是连
续的。
15
但在小区边界上能量
不连续，并出现禁带。
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 。 这种现象称为折叠， 其小区的数量为d/a。
二、超晶格材料——量子阱 4
组分超晶格是指在同一块单晶上生长的 大量重复相间的薄层，通常是由两种不
同材料在一个维度上层状排列的周期结
构。其中，每层的厚度都很小，可和电 子的德布罗意波长相比，因此其周期远 小于电子非弹性散射的平均自由程。
11
二、超晶格材料——量子阱 5