光电子低维结构材料和器件发展

光电子低维结构材料和器件的发展,目录,光电子材料和器件及其发展简史 光电子低维结构 低维结构基础 光电子材料制备技术 （MBE，MOCVD） 光电子低维结构器件 光电子器件（激光器，探测器等） 电学器件（MOSFET，量子点存储器件等） 光学器件（光子晶体）,电学器件,光电子器件,光子器件,I T,低维物理系 （量子阱，超晶格等）,器件物理,异质界面物理,工程的结构,器件 （MQW激光器，APD等）,材料科学 （MBE，MOCVD等）,1946年计算机的发明 1948年晶体管的发明 1951年半导体异质结理论的提出 1954年太阳能电池发明 1955年发光二极管发明 结晶生长技术迅速发展 1958年集成电路开发 1962年红色发光二极管产品化 1970年室温半导体激光器（贝尔） 1970年低损耗光纤（康宁） 1973年液晶显示器发明 1980年高速晶体管发明（富士通） 1985年CDROM商品化 1987年光纤放大器成功 1993年蓝色发光二极管（日亚） 1996年DVD商品化,光电子器件发展简史,低维材料结构,半导体材料的分类 半导体物理几个概念 二维电子气结构（2DEG） 量子阱,量子线和量子点材料 超晶格的分类 组份超晶格,掺杂超晶格,应变超晶 格,I.II.III型超晶格等 低维材料的发光性质,半导体带隙能量与晶格常数,IIIV族宽禁带半导体,ZnMgSeTe 5.668-6.37A 2.1-3.6eV ZnO的发展 SiC的发展,GaN材料系统,中村修二从1979年在日亚（Nichia） 1.9eV-6.2eV,AlN, AlGaN/GaN HFETs,SiGeC材料,半导体能带结构,半导体材料的掺杂,材料界面,第一布里源区的能带折叠,Energy,(,a) bulk,(,b) quantum,well,(,c) quantum,wire,(,d) quantum,box or dot,Density of State,量子阱,量子线,量子点材料,江崎和朱兆祥提出 人工剪裁,能带工程 量子阱小于德布洛意波长 二维电子气（2DEG）,能带工程的提出,超晶格的分类,组份超晶格 掺杂超晶格 应变超晶格 I,II,III超晶格,掺杂超晶格,应变超晶格,1986年应变量子阱，开拓了量子阱材料选择的自由度，展现优异的新功能。,二维电子气结构2DEG,1980年Klizing发现量子霍尔效应1985年获奖Si 反型层GaAs/AlGaAs，测量精细结构常数 1982年Laughlin,Stoermer,Tsui发现分数量子霍尔效应1998年获奖 GaAs/AlGaAs 1999Lilly郎道能级半添充GaAs/AlGaAs纵向Rxx各向异性,量子霍尔效应,E,C1,E,V1,E,C2,E,V2,E,C1,E,V1,E,C2,E,V2,E,C2,E,V2,E,C1,E,V1,type I,type II,type III,GaAs AlAs,AlSb,GaSb,InAs,GaSb,InAs,GaSb,AlSb,InP,AlAs,GaAs,AlP,2.0,1.0,0.5,3.0,Wavelength (m),6.0,InSb,type I,type II,type III,I,II,III型超晶格,I，II，III型超晶格及能带结构,单量子阱中的能级,量子阱能级与态密度的关系,超晶格的发光特征,Photon Energy (eV),PL Intensity (arb. units),40mW,20mW,10mW,5mW,18K,1.6,1.5,1.4,1.3,1.2,1.1,1.0,n=0,n=1,n=2,n=2,n=1,n=0,pumping,量子阱的光致发光,低维半导体材料的制备技术,分子束外延（MBE） MOCVD生长 CBE生长 液相外延生长（LPE） 量子线、量子点的制备 自组织量子点的发光性质,分子束外延生长技术,MBE,MBE生长机制,As分子,As分子,GaAs,Ga原子,分子束外延生长室,Plasma MBE控制柜,我实验室购买的MBE设备,MOCVD系统方框图,MOCVD,MOCVD是金属有机化学气相沉淀。,MOCVD系统示意图,MOCVD生长机制,CBE系统示意图,液相外延生长（LPE）,量子线,量子点的制备,刻蚀再生长 量子点自组织生长 非平面衬底的生长 自组织量子线的生长,光刻机系统,下一代光刻技术,130纳米技术采用光学光源 1纳米软X光射线，13纳米极紫外（EUVL），电子束,量子线的制备,自组织量子线生长,胶体化学制备的量子点,胶体量子点(colloidal quantum dots) CdSe-CdS量子点,外延生长的三种模式,GaAs基板,GaAs,InAs = 0ML,InAs 1.7ML,GaAs基板,GaAs,InAs dots,InAs/GaAs量子点的生长,RHEED在位监测外延生长,二维生长,三维生长,电子束,荧光屏,InAs量子点的自组织化,GaAs 300nm,S.I. GaAs(100) sub.,InAs成長膜厚 1.6ML4.0ML,2.0ML,2.0ML,2.0ML,2.0ML,2.0ML,2.0ML,1.5ML,1.5ML,1.5ML,1.5ML,GaAs,GaAs,GaAs,GaAs,GaAs,GaAs,垂直堆垛量子点,堆跺量子点TEM图,量子点尺寸对发光的影响,100,200,300,50,500,Temperature (K),single layer nanodots,5-stacked nanodots,18K,两种量子点的光致发光,60K,20K,WL,EX,QD1,2,3,4,GaAs,光致发光谱,CAP层变化的光致发光,5nm,50nm,2DEG recombination in 5nm sample Blue-shift of ground state QD peak in the 50nm sample,Cap layer,i-GaAs,WL,QD,小结,能带工程概念的提出对现代科学技术产生了巨大的影响 对材料一维,二维和三维方向的限制,产生了量子阱,量子线和量子点材料 低维结构MBE、MOCVD的制备技术 量子点的发光性质 低维量子结构器件的基础,低维器件的发展,1995年半导体器件指南：67种110变种 光电子器件 激光器，探测器，太阳能电池等 电学器件 MODFET，HBT，HFET，存储器件等 光子晶体,半导体激光器应用背景,激光器泵浦铒光纤,1986年掺铒光纤放大器（EDFA） 铒离子亚稳态到基态差（15251565纳米）,波长 (m),电流密度 (A/cm2),A. Asada, Y. Miyamoto, and Y. Suematsu, IEEE J. Quantum Electron 22 (1986) 1915.,量子限制效应在激光器的应用,1978年，第一只AlGaAs/GaAs量子阱激光器问世，量子阱光电子时代到来。,量子阱激光器结构,双异质结激光器,限制载流子和光波采用异质结,单量子阱激光器,Al0.4Ga0.6As/Al0.2Ga0.8As/GaAs分别限制（SCH）单量子阱激光器 阱和垒作为波导层,多量子阱激光器,激光器性能提高：阈值电流降低，光增益谱变窄效率提高，积分增益增大，温度性能提高。,边和垂直发射激光器,为了达到受激发射， 结构加上谐振腔，使放大的工作获得正反馈形成激光振荡,分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式（DBR）半导体激光器,实现动态单纵模工作 更宽温度和电流，抑制模式跳变，改善噪音特性 单色性和稳定性更好,大功率无铝激光器,串极半导体激光器,改变阱(GaInAs)和垒(AlInAs)的厚度，可miniband改变间隔 Miniband可承受更高的电流和功率 750毫瓦，7.6微米，室温,斜跃迁结构,4.3微米,8.4微米 30mW 线宽0.3cm-1 125K,垂直跃迁结构,4.8微米 30mW 线宽0.3cm-1 200K,氮化镓半导体激光器,1996年，CWT233K 1997年InGaN,CW300小时，现在LD10000小时,长波长氮化物VCSEL,室温1310纳米,室温自组织量子线激光器,833868纳米 （775）B,H. Shoji et al., semiconductures and semimetals, Vol.60 (1999) 241.,量子点在激光器上的应用,半导体激光器制造工艺,锑化物红外探测器,RT 焦平面红外探测器,雪崩光电二极管（APD）,共振腔结构光电探测器,InP/InGaAsP材料构成20个周期布拉格反射器，表面介质膜构成的反射器,量子阱红外探测器（QWIP）,太阳能电池,无源发射极背面局部扩散电池,电学器件,手机内部结构,金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）,现代深亚微米CMOS器件,CMOS器件结构,CMOS工艺流程,SOI器件,1998年 避免器件于衬底的寄生效应，解决隔离问题 高开关速度，高密度，抗辐射 比CMOS高35,GeSi调制掺杂场效应管（MODFET）,异质结双极晶体管（HBT）,电子垂直渡越，工作频率最大 工作电压为正 大电流密度 高跨导gm,输入电压摆幅降低,谐振隧道二极管,1973年Tsu,Esaki（RTD） 1974,Chang 量子耦合器件 负微分电阻（NDR）,量子线沟道MOSFET,硅中窄反型导电层必须出跨导振荡现象,量子点,Vg,+,n=1,n=2,n=3, kT,静电能量,电子数控制和超低耗电晶体管,单电子效应,单电子效应,e2,2C,单电子晶体管,记录密度 (bit/inch2),最小器件尺寸 (nm),存储器件发展情况,2DEG系统加调制电极,MBE生长异质结GaAs/AlGaAs Cr-Cu电极 Vp1,Vp3控制量子点和源漏的耦合 Vp2控制两个量子点的耦合 Vg1,Vg2,Vg3控制两个量子点的尺寸,垂直双势垒异质结量子点,阱12nm In0.05Ga0.95As 垒9,7.5nm Al0.22Ga0.78As 栅极控制量子点中电子0到几十 展现原子壳层结构和Hund规则,400 nm,1m,1.5m,AFM像,电子,窄沟道存储器件的制做,1.5m,S.I. GaAs(100) sub.,GaAs 100nm,Al0.5Ga0.5As 10nm,Al0.3Ga0.7As 20nm,GaAs 15nm,Al0.5Ga0.5As 20nm,Source,Drain,Gate,Al0.3Ga0.7As 20nm,VDS,VGS,GaAs 500nm,Al0.3Ga0.7As/GaAs S.L.,Memory Component,HEMT Component,Si-Al0.3Ga0.7As 50nm,50m,S,D,G,光学顕微鏡写真,量子点存储器件,Au (半透明电极),n-GaAs(100) sub.,VG,In,