量子點(diǎn)和量子點(diǎn)激光器.ppt

量子點(diǎn) QuantumDots 和量子點(diǎn)激光器 制作者 張興凱0410352向吟嘯0410302郭尚雨0410335 量子點(diǎn) quantumdot 是準(zhǔn)零維 quasi zero dimensional 的納米材料 由少量的原子構(gòu)成 外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物 粗略地說 量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米 nm 以下 量子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限 所以量子局限效應(yīng) quantumconfinementeffect 特別顯著 量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu) 故量子點(diǎn)可用來作激光器的工作物質(zhì) 而量子點(diǎn)也因此被稱為 人造原子 artificialatom 量子點(diǎn)有極大的應(yīng)用潛力 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來制造量子點(diǎn) 并預(yù)期這種納米材料在二十一世紀(jì)的納米電子學(xué) nanoelectronics 上有極大的應(yīng)用潛力 量子點(diǎn)可視為電子物質(zhì)波的共振腔 電子在量子點(diǎn)內(nèi)會(huì)有類似電磁波在一般共振腔中的共振現(xiàn)象 當(dāng)局限位能壁 potential wall 較薄時(shí) 量子點(diǎn)中的電子可因穿隧效應(yīng) tunnelingeffect 而逃離 我們稱之為開放式量子點(diǎn) openquantumdot 如圖所示 其類似一開放共振腔 opencavity 此時(shí)電子能階不再是穩(wěn)態(tài) stationarystate 而是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài) quasi stationarystate 電子停留在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)約一個(gè)生命周期 lifetime 后就會(huì)逃離量子點(diǎn) 在一般塊材中 電子的波長遠(yuǎn)小于塊材尺寸 因此量子局限效應(yīng)不顯著 如果將某一個(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長 此時(shí)電子只能在另外兩個(gè)維度所構(gòu)成的二維空間中自由運(yùn)動(dòng) 這樣的系統(tǒng)我們稱為量子阱 quantumwell 如果我們?cè)賹⒘硪粋€(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長 則電子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng) 我們稱為量子線 quantumwire 當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都縮小到一個(gè)波長以下時(shí) 就成為量子點(diǎn)了 quantumdot 若要嚴(yán)格定義量子點(diǎn) 則必須由量子力學(xué) quantummechanics 出發(fā) 我們知道電子具有粒子性與波動(dòng)性 電子的物質(zhì)波特性取決于其費(fèi)米波長 Fermiwavelength F 2 kF 量子阱 量子線及量子點(diǎn)能級(jí)比較關(guān)系示意圖 所以并非小到100nm以下的材料就是量子點(diǎn) 真正的關(guān)鍵尺寸是由電子的德布羅意波長或平均自由程 一般而言 電子費(fèi)米波長在半導(dǎo)體內(nèi)較在金屬內(nèi)長得多 例如在半導(dǎo)體材料砷化鎵GaAs中 費(fèi)米波長約40nm 在鋁金屬中卻只有0 36nm 1 化學(xué)溶膠法 chemicalcolloidalmethod 可制作復(fù)層 multilayered 量子點(diǎn) 過程簡單 且可大量生產(chǎn) 量子點(diǎn)的制造方法 量子點(diǎn)的制備可采用分子束外延技術(shù)在各種自然表面上直接生長的方法 如在小偏角表面 vicinalsurface 超臺(tái)階面 supersteps 高指數(shù)表面等或者在一些由人工做出的圖形襯底上生長 如V形槽 在掩膜表面上選擇局部生長 自組織生長法等 下面介紹幾種具體的制備方法 2 自組成法 self assemblymethod 采用分子束磊晶 molecular beamepitaxy 或化學(xué)氣相沉積 chemicalvapordeposition 制程 并利用晶格不匹配 latticemismatch 的原理 使量子點(diǎn)在特定基材表面自聚生長 可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點(diǎn) 在GaAs基材上以自組成法生長InAs量子點(diǎn)的STM影像 取自Ref 2 3 微影蝕刻法 lithographyandetching 以光束或電子束直接在基材上蝕刻制作出所要之圖案 由于相當(dāng)費(fèi)時(shí)因而無法大量生產(chǎn) 以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn)之SEM影像 水平線條約0 5微米 4 分閘法 split gateapproach 以外加電壓的方式在二維量子井平面上產(chǎn)生二維侷限 可控制閘極 Gate 改變量子點(diǎn)的形狀與大小 適合用于學(xué)術(shù)研究 但無法大量生產(chǎn) 以分閘法產(chǎn)生GaAs AlGaAs量子點(diǎn)之SEM影像 量子點(diǎn)的用途相當(dāng)廣泛 例如 可用于藍(lán)光雷射 光感測(cè)元件 單電子電晶體 singleelectrontransistor SET 記憶儲(chǔ)存 觸媒以及量子計(jì)算 quantumcomputing 等 在醫(yī)療上更利用各種發(fā)光波長不同的量子點(diǎn)制成螢光標(biāo)簽 成為生物檢測(cè)用的 納米條碼 量子點(diǎn)是目前理論上與實(shí)驗(yàn)上的熱門研究題目 世界各國無不積極投入研究 主要領(lǐng)先的有美國 日本 歐盟及俄羅斯等 臺(tái)灣也正在急起直追中 量子點(diǎn)激光器 簡單地說 量子點(diǎn)激光器是由一個(gè)激光母體材料和組裝在其中的量子點(diǎn)以及一個(gè)激發(fā)并使量子點(diǎn)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵源所構(gòu)成 一個(gè)實(shí)際量子點(diǎn)激光器 砷化鎵銦量子點(diǎn)激光器 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示 能態(tài)計(jì)算對(duì)于不同維度的電子體系 許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)來源于它們的態(tài)密度 態(tài)密度是指單位體積在能量E附近單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù) 每一個(gè)量子態(tài)可被自旋向上和向下的兩個(gè)電子所占據(jù) 半導(dǎo)體激光器從三維到二維 再到一維 零維 這種不斷發(fā)展變化的內(nèi)因在于不同維度材料的態(tài)密度不同 從而激光器的性能不斷改善 1 對(duì)于三維體系 在固體物理中 已求得其態(tài)密度與能量的關(guān)系是拋物線形 如圖 a 所示 2 當(dāng)體系為在某個(gè)方向 如z向 受限的二維體系 量子阱 時(shí) 受限方向 z向 的平移對(duì)稱性被破壞 kz不再是好量子數(shù) 該方向發(fā)生能級(jí)分裂 一個(gè)本征態(tài)的能量可以寫為E Ei Exy kx ky 其中Ei是z方向的量子化的能級(jí)值 在量子阱中 電子能量 所以一個(gè)E的分裂值對(duì)應(yīng)一個(gè)由各種不同Exy造成的子能帶 該子能帶對(duì)應(yīng)的態(tài)密度為 能態(tài)圖是階梯型 如圖 b 所示 即電子在xy平面運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的子能帶能量密度是一個(gè)常數(shù) 為了簡便 取A 1 于是三維能量的態(tài)密度為 對(duì)于量子線而言 體系在兩個(gè)方向 如z y方向 受限 它的能量和態(tài)密度之間的關(guān)系可以利用同樣的方法求得 結(jié)果是 對(duì)于零維的量子點(diǎn)而言 體系在x y z三個(gè)方向受限 載流子的能量在三個(gè)方向上都是量子化的 不存在能量的連續(xù)分布 所以 量子點(diǎn)的態(tài)密度與能量的關(guān)系表示為 函數(shù)的形式 即 其中Ei是體系的能量可取值 可表示為 3D E E Ei i 量子點(diǎn)的能態(tài)圖形為類氫光譜狀的分離線 如圖 d 所示 一個(gè)實(shí)際的量子點(diǎn)激光器的能帶結(jié)構(gòu)和生長結(jié)構(gòu)示意圖 量子點(diǎn)激光器能帶結(jié)構(gòu)和生長結(jié)構(gòu)示意圖 1 9為上下歐姆電極接觸層 2 8為超晶格緩沖層 3 7為上下包層 4 6為上下折射率梯度改變分別限制區(qū) 5為量子點(diǎn)有源區(qū) 量子點(diǎn)激光器的優(yōu)點(diǎn) 實(shí)際制作的量子點(diǎn)激光器的閾值電流密度己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光器以及量子阱激光器 1996年N N Ledelltsov采用10層In0 5Ga0 5As A10 15Ga0 85As量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)激光器的有源區(qū) 使室溫下的閾值電流密度降到90A cm2 1999年G T Liu等研制成功了室溫下閾值電流密度26A cm2的InAS In0 15Ga0 85As量子點(diǎn)激光器 1997年 Maximov等將量子點(diǎn)置入GaAs AlGaAs量子阱中 使量子點(diǎn)中載流子的逸出勢(shì)壘高度增加 大大降低了載流子的逸出幾率 減小了漏電流 使激光器的特征溫度T0在工作溫度80K 330K之間高達(dá)385K 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子阱激光器的特征溫度 但提高T0的同時(shí)卻帶來了閾值電流密度的大幅提升 1999年Shernyakov報(bào)道了世界上第一只在室溫 低于40 下同時(shí)具有高特征溫度T0 160K 和低閾值電流密度Jth 65A cm2 三層量子點(diǎn)陣列的GaAs基量子點(diǎn)激光器 工作波長為1 3 m 而目前工作在同波段的InP基量子阱激光器 最高的特征溫度T0為60 70K 最低的閾值電流密度Jth為300 400A cm2 3 對(duì)于理想的量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn) 它應(yīng)只有單一電子能級(jí)和空穴能級(jí) 很容易實(shí)現(xiàn)單模工作 1996年Kirstaedter等在77K低溫下稍高于閾值電流密度情況下就觀察到了單模工作 而相比之下 量子阱激光器只有遠(yuǎn)高于閾值電流密度的情況下才能實(shí)現(xiàn)單模工作 從量子點(diǎn)本身的性質(zhì)出發(fā) 存在聲子瓶頸效應(yīng) 當(dāng)電子被注入到勢(shì)壘區(qū)的高能級(jí)上時(shí) 它必須依靠與聲子的散射作用 放出聲子 才能弛豫到量子阱或量子點(diǎn)中的低能級(jí)上 量子點(diǎn)激光的瓶頸問題 聲子散射要求能量守恒和動(dòng)量守恒 對(duì)于量子阱來說 由于子能帶的存在 這兩個(gè)條件很容易同時(shí)滿足 但對(duì)于量子點(diǎn)而言 由于電子能級(jí)都是分離的 很難使兩個(gè)能級(jí)能量差恰好等于一個(gè)光學(xué)聲子的能量 因此 認(rèn)為量子點(diǎn)缺乏一種有效的載流子弛豫途徑 稱之為聲子瓶頸效應(yīng) 事實(shí)上 后來的實(shí)驗(yàn)證明 這個(gè)問題并不象原來想象的那么嚴(yán)重 在量子點(diǎn)中存在一個(gè)很快的捕獲和弛豫機(jī)制 現(xiàn)在已經(jīng)提出一種弛豫機(jī)制 俄歇過程 理論計(jì)算表明 如果二維電子 空穴等離子體的密度為1010每平方厘米 則電子和空穴的弛豫時(shí)間將達(dá)10ps 而這一密度對(duì)量子點(diǎn)來說容易達(dá)到 但這一弛豫機(jī)制還需要實(shí)驗(yàn)證明 從制造工藝上 量子點(diǎn)的尺寸大小均勻性不好控制 也使它的發(fā)展受到了阻礙 量子點(diǎn)激光器的未來量子點(diǎn)激光器的研制在近幾年內(nèi)取得了長足進(jìn)步 已經(jīng)向傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器開始了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn) 但其性能與理論預(yù)測(cè)相比仍有較大的差距 進(jìn)一步提高量子點(diǎn)激光器的性能 必須解決以下幾個(gè)問題 l 如何生長尺寸均勻的量子點(diǎn)陣列 雖然量子點(diǎn)的材料增益很大 但由于尺寸分布的不均勻性 使量子點(diǎn)發(fā)光峰非均勻展寬 發(fā)光峰半寬比較寬 遠(yuǎn)