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题目名称:GaSb/GaAs 量子点的 LPE 生长、物性研究及红外探测器研制


1. 课题背景
简要介绍
低维结构材料在物理特性研究和新型器件应用领域越来越受关注, 特别是二型异质结的电子能带结构, 其电子和空穴的物理分离引入很多独特的物理效应,并具备新型器件应用潜力。GaSb/GaAs 量子点体系是典型的二型异质结结构, 其空穴位于量子点中且具有很强的量子限域效应,而电子却弱局域在势垒层 GaAs 中。且量子点因具有与激子波尔半径相比拟的大小而具有量子限域效应,引起子能级间距增,进而引起声子瓶颈效应而导致激子寿命很长、暗电流较小等物理现象,为此适合制作存储器、光电探测器等新型器件。
研究意义
1970年,Esaki等人首先提出了超晶格的设想,导致“能带工程”(Energy Band Engineering,EBE)的出现,激发人工改性半导体材料的工程。能带工程是通过选择材料的物理参数和几何参数,改变其能带结构和带隙图形,在相当大的范围内可自由设计材料的能带结构,实现人工剪裁材料的光学和电学性质,以优化材料特性及电子器件和光电子器件的性能,最终促使光电子学及电子学发展。
GaSb/GaAs 结构基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应,制成的半导体单电子器件由于小尺寸、低功耗而日益受到人们的关注。开发量子点单电荷存储器,实现自组装 GaSb 量子点长时间的闪存存储。GaSb量子点更因具有大的激子Bohr 半径,发光效率高;GaSb/GaAs 量子点的形貌各向异性在极化敏感的器件有应用潜力。可以优化参数,实现俄歇复合(Auger bination )过程的抑制,使辐射复合占主导,最小化阈值电流,实现长波(λ>3μm )二型异质结半导体激光器室温下操作;二型量子点作为光源具有光子稳定性、热稳定性优势,还通过优化参数实现精细调制发射波长。这给光集成电路、生物成像和柔性光电器件带来应用便利。另外Ⅲ-Sb化合物被认为是应用在超快器件和长波光电子器件等领域的潜力材料,因为它们具有高的电子迁移率和小的能隙。且 GaSb量子点错开的二型能带排列和大的价带偏移,使得在基于量子点 波长发光器件领域具有很大应用潜力。因对垂直入射的辐射有响应,因声子瓶颈效应可抑制俄歇复合,降低噪声,提高响应率,最终可以室温下操作,实现高性能红外探测器的研制。
普遍接受的液相外延(Liquid phase epitaxy、 LPE )技术是一种晶体平衡态生长方法,可以生长点缺陷和杂质很少的高质量结晶外延层,为此很适合光电器件的制作。但LPE技术不易实现薄膜厚度、生长速率等的精确控制,不过可以通过改进型快速推舟法(Rapid slider)的LPE技术,可实现超薄低维结构材料的生长。结合GaSb量子点特殊的量子效应与应用潜力和LPE技术生长高质量单晶的优势,我们采用新型LPE技术尝试生长GaSb量子点,研究其新颖的物理特性,并构建新型光电器件,如红外探测器、太阳能电池、发光二极管等。
创新点
GaSb/GaAs 量子点的 8 带 K ·P 理论计算。采用VFF 模型分析量子点的应力场分布,基于此应力分布,采用 8 带k ·p 理论计算量子点的合金组分、量子点的尺寸大小、量子点的形状、环境温度等参数对量子点电子结构的影响和规律。
GaSb/GaAs量子点红外探测器的研制。对GaSb 量子点红外光导型探测器,构建了三种器件结构。经黑体测试分析,LPE 生长的 GaSb 量子点红外探测器初步具有黑体响应特征。
GaSb/GaAs 量子点的光学特性研究。采用 FTIR、Raman、PL、PLE、SE等手段全面研究了二型异质结 GaSb QDs 的非线性光学特性,并获得了 GaSb QDs 的激子、声子与光子之间的相互作用关系。其中,采用FTIR cm-1 、 cm-1 处的吸收特性归因于GaSb QDs 的原子振动。因量子限域效应的影响,从Raman 光谱上只观察到GaSb QDs TO 声子的拉曼位移228 cm-1 ,和体材料的声子位置一致,说明尺寸较大量子点的应力变小,影响声子位置可忽略。PL 光谱在 10 K 下QD、WL eV 和 eV,可以完美分辨,且从光谱上确认了量子点是 S-K 模式生长。低温WL 层中出现声子拌线,且掺杂Mn 元素后,其低温出现多声子拌线现象,即电声耦合增强。量子点的非线性光学效应,如其荧光峰强、峰位、半峰宽与温度的非线性关系以及半峰宽的非线性展宽等。覆盖层厚度差异可以建立能带模型解释量子点荧光猝灭现象。从 SE 分析上,建立GaSb