量子阱和超晶格共56页文档

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 ）

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

（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。

• 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。

这些制备技术各有特点，可以根据具体的研究需求和实验条件选择合适的技术进行 量子阱和超晶格的制备。
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。

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。

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。

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

,
.
L,n
d
L,n
C
L
,n
jL
k
n L
r
YL,M 1
,
因为晶体是六角对称的，只有角动量L的z分量M是好量子数。 考虑了自旋轨道耦合后，波函数变为6分量的，相应的基函 数包含了向上和向下的自旋波函数。这时总角动量L+S的z 分量M+Sz是守恒量。哈密顿量中的二阶球张量算符P(2)将L 态的波函数分量与L2的态耦合，因此波函数中包含了对不
中国科学院半导体 研究所
CdS/ZnS 核 壳 结 构 的 吸 收、PL和EL谱 外量子效率0.1%
材料尺寸效应及其相关科学问题 — 材料生长部分
背景InAsP/InP/ZnSe核壳结构的近红外发光，用作生物 1. 影像，在900nm附近，细胞吸收最小
中国科学院半导体 研究所
利用晶体纳米线作为光 学微腔，可以制成激光 器。已经在单根CdS纳米 线微腔上产生了激光。 直径80—150nm，长度 到100µm的单晶CdS量子 线。 激发功率为0.6, 1.5, 3.0和240nJ/cm2的PL谱 （分别为黑，蓝，红， 绿）。
Lp
2 y
Mp
2 x
Np
2 z
Ap y Qp y pz
Apx Qp x pz
Ap y Qp y pz ,
S
p
2 x
p
2 y
Tp
2 z
Ec
中国科学院半导体 研究所
因为半导体纳米晶体大都是球状的，所以要把哈密顿量（1） 化到球坐标中求解。 在球坐标中空穴哈密顿量为
Hh
1 2m0
P1 S T
S
同L态的求和。
中国科学院半导体 研究所

半导体超晶格及其量子阱的原理半导体超晶格及其量子阱：一、定义半导体超晶格（Semiconductor Superlattice，简称SSL）是一种合成多层半导体结构，其可调节电子结构和能带结构，从而提高材料的性能。

量子阱（Quantum Wells）是SSL结构中最重要的一种结构，可在量子阱内释放良好的量子效应，从而使许多物理和化学性能被调控。

二、结构特性（1）半导体超晶格一般由两种不同的半导体层组成，每层厚度可从几纳米到几微米不等，每一层都相互隔离，形成超级晶格结构。

（2）由于 SSL 各层局部电子结构，可以吸收和发射光子，使 SSL 具有一定的光学性质。

（3）在SSL结构中，量子阱由两层薄的半导体材料层隔开，其中夹层（Cladding）层的电子态更加有序，从而形成有序的电子波函数，从而形成特殊的量子效应。

三、物理效应（1）在量子阱中物理现象是由特殊的量子效应造成的，如量子隧穿效应、量子驱动效应、量子振荡效应等。

（2）其中量子隧穿效应指通过量子阱释放出的电子自由穿越两个不同类型半导体，这种作用可以降低材料阻抗，增加功率传递，使得系统性能更好。

（3）量子驱动效应是一种由内部量子效应驱动的电荷移动，其作用可以提高半导体的电子传输速率，提高半导体的速率效率。

四、应用（1）SSL 和量子阱在optoelectronic 和nanoelectronic 中有广泛的应用，如激光源、可调谐激光器、可控纳米开关、光存储器、高速照相机等等。

（2）量子阱可用于检测微弱的电信号，如开发低噪声电路、MRAM存储器和传感器等。

（3）SSL 和量子阱可以用于制备太阳能电池，纳米器件，密集型逻辑器件等技术。

五、结论半导体超晶格及其量子阱是一种高性能的技术材料，其性能的改善可以显著加强多种电子设备的性能和功能，这使得其在电子行业中得到了广泛的应用。

超晶格是一种由交替生长不同半导体 材料形成的周期性结构，其周期长度 在几十纳米量级，可以产生新的量子 效应和物理性质。
量子阱和超晶格的重要性
量子阱和超晶格是现代半导体技术中的重要组成部分，对于 发展新型电子器件、光电器件和量子器件具有重要意义。
通过量子阱和超晶格的设计和制备，可以实现对电子的量子 行为和材料的物理性质的精确调控，从而优化电子器件的性 能，提高光电器件的光电转换效率，以及实现量子信息处理 和量子计算等前沿技术。
新型应用场景不断涌现
随着量子计算和超晶格技术的不断发展，将会有越来越多的新型应用场景涌现，包括量子 模拟、量子优化、量子机器学习等。
需要解决的技术挑战和伦理问题
随着量子计算和超晶格技术的不断发展，需要解决的技术挑战和伦理问题也将不断增加， 需要加强国际合作和政策引导。
THANK YOU
超晶格
超晶格主要应用于电子器件和集 成电路等领域，如高速晶体管、 集成电路、微电子器件等。
05
量子阱和超晶格的发展趋势
量子计算的发展趋势
量子计算技术不断进步
随着量子计算技术的不断发展，量子计算机的性能和稳定 性不断提升，量子算法和应用场景也在不断拓展。
硬件平台多样化
随着量子计算技术的不断发展，量子计算机的硬件平台也 在不断多样化，包括超导、离子阱、光学等多种技术路线。
热稳定性
超晶格具有较好的热稳定性，能 够在较高温度下保持稳定的性能。
超晶格的应用
电子器件
能源领域
超晶格可用于制造高速、低功耗的电 子器件。
超晶格可用于太阳能电池和热电转换 等领域，提高能源利用效率。
光电器件
超晶格在光电器件领域有广泛应用， 如激光器、探测器等。
04

半导体异质结、量子阱和超晶格、多波段等光电薄膜材料下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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