光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展

1、光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件發(fā)展光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第1頁目錄光電子材料和器件及其發(fā)展簡史光電子低維結(jié)構(gòu) 低維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 光電子材料制備技術(shù) （MBE，MOCVD）光電子低維結(jié)構(gòu)器件 光電子器件（激光器，探測器等） 電學(xué)器件（MOSFET，量子點存放器件等） 光學(xué)器件（光子晶體）光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第2頁電學(xué)器件光電子器件光子器件I T光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第3頁低維物理系（量子阱，超晶格等）器件物理異質(zhì)界面物理工程結(jié)構(gòu)器件（MQW激光器，APD等）材料科學(xué)（MBE，MOCVD等）光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第4頁1946年計算機創(chuàng)造1948年晶體管創(chuàng)造1951年半導(dǎo)體

2、異質(zhì)結(jié)理論提出 1954年太陽能電池創(chuàng)造1955年發(fā)光二極管創(chuàng)造結(jié)晶生長技術(shù)快速發(fā)展1958年集成電路開發(fā)1962年紅色發(fā)光二極管產(chǎn)品化1970年室溫半導(dǎo)體激光器（貝爾）1970年低損耗光纖（康寧）1973年液晶顯示器創(chuàng)造1980年高速晶體管創(chuàng)造（富士通）1985年CDROM商品化1987年光纖放大器成功1993年藍色發(fā)光二極管（日亞）1996年DVD商品化光電子器件發(fā)展簡史光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第5頁低維材料結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體物理幾個概念二維電子氣結(jié)構(gòu)（2DEG）量子阱,量子線和量子點材料超晶格分類 組份超晶格,摻雜超晶格,應(yīng)變超晶 格,I.II.III型超晶格等低維材料發(fā)光性

3、質(zhì)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第6頁半導(dǎo)體帶隙能量與晶格常數(shù)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第7頁IIIV族寬禁帶半導(dǎo)體ZnMgSeTe5.668-6.37A2.1-3.6eVZnO發(fā)展SiC發(fā)展光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第8頁GaN材料系統(tǒng)中村修二從1979年在日亞（Nichia）1.9eV-6.2eV,AlN,AlGaN/GaN HFETs光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第9頁SiGeC材料光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第10頁半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第11頁半導(dǎo)體材料摻雜光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第12頁材料界面光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第13頁第一布里源區(qū)

4、能帶折疊光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第14頁Energy(a) bulk(b) quantum well(c) quantum wire(d) quantum box or dotDensity of State量子阱,量子線,量子點材料光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第15頁江崎和朱兆祥提出人工剪裁,能帶工程量子阱小于德布洛意波長二維電子氣（2DEG）能帶工程提出光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第16頁超晶格分類組份超晶格摻雜超晶格應(yīng)變超晶格I,II,III超晶格光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第17頁摻雜超晶格光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第18頁應(yīng)變超晶格1986年應(yīng)變量子阱，開拓了量子阱材

5、料選擇自由度，展現(xiàn)優(yōu)異新功效。光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第19頁二維電子氣結(jié)構(gòu)2DEG1980年Klizing發(fā)覺量子霍爾效應(yīng)1985年獲獎Si 反型層GaAs/AlGaAs，測量精細結(jié)構(gòu)常數(shù)1982年Laughlin,Stoermer,Tsui發(fā)覺分數(shù)量子霍爾效應(yīng)1998年獲獎 GaAs/AlGaAs1999Lilly郎道能級半添充GaAs/AlGaAs縱向Rxx各向異性光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第20頁量子霍爾效應(yīng)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第21頁EC1EV1EC2EV2EC1EV1EC2EV2EC2EV2EC1EV1type Itype IItype IIIGaAs AlAs

6、AlSbGaSbInAsGaSbInAsGaSbAlSbInP AlAsGaAsAlP2.01.00.53.0Wavelength (m)6.0InSbtype Itype IItype IIII,II,III型超晶格光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第22頁I，II，III型超晶格及能帶結(jié)構(gòu)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第23頁單量子阱中能級光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第24頁量子阱能級與態(tài)密度關(guān)系光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第25頁超晶格發(fā)光特征光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第26頁Photon Energy (eV)PL Intensity (arb. units)40mW20mW10m

7、W5mW18K1.61.51.41.31.21.11.0n=0n=1n=2n=2n=1n=0pumping量子阱光致發(fā)光光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第27頁低維半導(dǎo)體材料制備技術(shù)分子束外延（MBE）MOCVD生長CBE生長液相外延生長（LPE）量子線、量子點制備自組織量子點發(fā)光性質(zhì)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第28頁 分子束外延生長技術(shù)MBE光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第29頁MBE生長機制As分子As分子GaAsGa原子光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第30頁分子束外延生長室光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第31頁Plasma MBE控制柜光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第32頁我試驗室購置

8、MBE設(shè)備光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第33頁MOCVD系統(tǒng)方框圖光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第34頁MOCVDMOCVD是金屬有機化學(xué)氣相沉淀。光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第35頁MOCVD系統(tǒng)示意圖光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第36頁MOCVD生長機制光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第37頁CBE系統(tǒng)示意圖光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第38頁液相外延生長（LPE）光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第39頁量子線,量子點制備刻蝕再生長量子點自組織生長非平面襯底生長自組織量子線生長光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第40頁光刻機系統(tǒng)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第41頁下一代光刻技術(shù)130納米

9、技術(shù)采取光學(xué)光源1納米軟X光射線，13納米極紫外（EUVL），電子束光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第42頁 刻蝕再生長 光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第43頁量子線制備光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第44頁自組織量子線生長光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第45頁膠體化學(xué)制備量子點膠體量子點(colloidal quantum dots)CdSe-CdS量子點光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第46頁外延生長三種模式光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第47頁GaAs基板GaAsInAs = 0MLInAs kT靜電能量電子數(shù)控制和超低耗電晶體管 單電子效應(yīng)單電子效應(yīng) e22C 單電子晶體管光電子低維結(jié)構(gòu)材

10、料和器件的發(fā)展第101頁統(tǒng)計密度 (bit/inch2)最小器件尺寸 (nm)存放器件發(fā)展情況電流控制電子數(shù)控制 1存放100e 單電子存放光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第102頁2DEG系統(tǒng)加調(diào)制電極MBE生長異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAsCr-Cu電極Vp1,Vp3控制量子點和源漏耦合Vp2控制兩個量子點耦合Vg1,Vg2,Vg3控制兩個量子點尺寸光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第103頁垂直雙勢壘異質(zhì)結(jié)量子點阱12nm In0.05Ga0.95As壘9,7.5nm Al0.22Ga0.78As柵極控制量子點中電子0到幾十展現(xiàn)原子殼層結(jié)構(gòu)和Hund規(guī)則光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第104頁S

11、ourceDrainGate10mm400 nm1m1.5mAFM像1 m0.4 m0.4 m0.2 m堆跺量子點 2DEG1.5 m柵電極(Au)電子窄溝道存放器件制做1.5m光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第105頁S.I. GaAs(100) sub.GaAs 100nmAl0.5Ga0.5As 10nmAl0.3Ga0.7As 20nmGaAs 15nmAl0.5Ga0.5As 20nmSourceDrainGateAl0.3Ga0.7As 20nmVDSVGSGaAs 500nmAl0.3Ga0.7As/GaAs S.L.Memory ComponentHEMT ComponentSi

12、-Al0.3Ga0.7As 50nmSi-doped Al0.5Ga0.5AsAl0.3Ga0.7AsGaAs電荷蓄積層50mSDG光學(xué)顕微鏡寫真量子點存放器件光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第106頁Au (半透明電極)n-GaAs(100) sub.VGIni-GaAs 500nmn-GaAs 500nmAl0.5Ga0.5As 50nmAl0.5Ga0.5As 10nmGaAs 15nm量子點HFET存放器件電荷積累層EFAl0.5Ga0.5Asi-GaAsn-GaAsYHP 4280A 1MHz速度：0.06 V/sec測量溫度： 77 K測定條件光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第107頁

13、電荷寫入后Si-dopedSi-doped放電后2DEG2DEG充放電能帶改變過程光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第108頁量子點和無量子點樣品C-V 曲線V=0.75Vbefore charging1sec after chargingV=0.25VCharging operation by keeping the VG at +1.5 V for 5 sec.Discharging operation by photo-illumination for 5 sec.光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第109頁量子點CV曲線77KQDWLin the darkunder illumination光

14、電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第110頁存放器件充放電后IV曲線2.502550751001251501750.00.51.01.52.02.51.00.80.60.40.20.01.21.40.51.01.52.00.00.20.40.60.81.01.21.4IDS (mA)VDS (V)(a) after discharging(b) after charging0.0VDS (V)IDS (mA)2.5 充電后 放電后室溫VGS=-1.0VVGS=-0.5VVGS=0.0V光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第111頁室溫下存放效應(yīng)保持時間VTH=0.07 V11011021031041051

15、06300KVTH (V)1101102103104105106VTH (V)300KNanodotsDotlessInterface levels & deep levels光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第112頁光電子集成電路（OEIC）光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第113頁光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第114頁 DNA器件光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第115頁低維光子材料：光子晶體發(fā)展背景光子晶體概念與光子晶體全向禁帶形成光子晶體在光子器件應(yīng)用光子晶體經(jīng)典材料制備方法小結(jié)光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第116頁發(fā)展背景光子含有獨特優(yōu)點和重大應(yīng)用價值 光子速度快，大帶寬（光纖通訊TH

16、z，電子系統(tǒng)KHz）光子極強互連能力與并行能力：光計算機取代現(xiàn)行計算機全光系統(tǒng)和全光芯片發(fā)展：光子器件電子器件70年代水平光子晶體發(fā)展：實現(xiàn)光子電路光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第117頁光子晶體概念和分類折射率：線性光子晶體（線性折射率改變）和非線性光子晶體（非線性極化率改變）空間結(jié)構(gòu)：一維，二維，和三維光子晶體堆積方式：面心，體心，簡立方等結(jié)構(gòu)晶體光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第118頁光子晶體概念和發(fā)展研究熱潮Yablonovitch 和 John 分別于1987年提出光子晶體概念提供完全不一樣機制去禁錮，控制和操縱光傳輸1991年微波波段光子晶體結(jié)構(gòu)，Yablonovite結(jié)構(gòu)1995

17、年微波波段和年GaAs木樁結(jié)構(gòu)對微加工工藝要求很高，材料制作是瓶頸光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第119頁光子晶體禁帶與電子材料禁帶周期介電常數(shù)和周期勢場V玻色子和費密子 控制自發(fā)輻射倒易空間，布里淵區(qū)，色散關(guān)系，布洛赫波，摻雜等互用光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第120頁周期結(jié)構(gòu)光子禁帶正方格子中TE與TM不一樣三方格子中TE和TM相同光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第121頁物理特征光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第122頁光子晶體禁帶帶隙三個指標：帶隙中心位置，寬度和衰減程度能隙出現(xiàn)處頻率與介電周期性晶格長度關(guān)系：c/2a光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第123頁器件應(yīng)用缺點工程: (1)線缺

18、點-光波導(dǎo)：Sharp Bending , 光子晶體光纖等 (2)點缺點-微腔：光子陷阱，零閾值半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體微腔，單模發(fā)光二極管等帶工程：super棱鏡，負折射率棱鏡，偏光分離器，低損耗微波天線，高密度色散賠償器件，脈沖壓縮器件等帶邊工程：多維DFB激光器，大面積耦合振蕩器等光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第124頁半導(dǎo)體光子晶體制備光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第125頁光波導(dǎo)示意圖和模擬圖光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第126頁大多孔硅制作Mach-Zehnder干涉器件光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第127頁多孔光子晶體光纖傳統(tǒng)光纖：存在光能損耗與色散；光子晶體：確保單模傳輸，提升

19、功率，沒有色散Glass管直徑0.8mm，總20mm，拉制后光纖約為20200m，中間空110，截面縮小1/1000光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第128頁GaInAsP量子阱光子缺點激光器光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第129頁光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第130頁光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第131頁偏光分離器件利用TE和TM波禁帶不一樣性TM全部經(jīng)過，TE全部反射光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第132頁超棱鏡現(xiàn)象在集成器件應(yīng)用不一樣波長經(jīng)過光子晶體和硅片（波長差1，分離角度50，自然結(jié)晶僅為0.3）WDMADM器件：實現(xiàn)用波長分波器超高密度集成化光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第133

20、頁負折射率現(xiàn)象新現(xiàn)象，界面透鏡，圖象傳輸，開放式微腔光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第134頁光子晶體與VLSI集成光子晶體將光子器件與硅器件集成在一起光學(xué)功效材料光子晶體集成光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第135頁一維光子晶體研究進展光子晶體沒有缺點和引入缺點光子態(tài)密度分布簡圖超折色現(xiàn)象：對入射光束展寬和分光時間延遲效應(yīng)：在缺點頻率處，光被高度局域，群速度很低，到達時間延遲作用雙共振二次諧波：基波和二次諧波分別位于帶隙帶邊位置光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)：缺點層為非線性介質(zhì)，缺點態(tài)頻率伴隨局域光強度改變，調(diào)整入射光頻率靠近缺點態(tài)頻率，對入射光產(chǎn)生反饋，出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)光子局域化：引入無序光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展

21、第136頁經(jīng)典光子晶體制備技術(shù)成本低廉，可大面積制作光子晶體是特殊材料必須人工制作精密機械加工制作飛秒激光制作（TPA）用多光束相干方法產(chǎn)生周期微米結(jié)構(gòu)各相異性腐蝕膠體顆粒自組裝：等彌散聚苯乙烯或二氧化硅球體（缺點：制備缺點困難）合成蛋白石：Sol-gel粒子在水中或揮發(fā)性溶媒懸濁分散，沉降自組裝成面心立方結(jié)構(gòu)，溶媒蒸發(fā)微模型，微制造法一維光子晶體：比如，聚苯乙烯和碲多層鍍膜光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第137頁飛秒激光制作三維光子晶體脈沖極短，輻照區(qū)能量難以擴散雙光子聚正當，聚焦可見光聚合物材料未曝光材料用溶劑溶解掉光電子低維結(jié)構(gòu)材料和器件的發(fā)展第138頁全息光刻制作光子晶體三束激光干涉產(chǎn)生二維曝光圖象兩束激