半導(dǎo)體光學(xué)2017準(zhǔn)一維系統(tǒng)量子線

1、2.準(zhǔn)一維系統(tǒng)（量子線）構(gòu)成：載流子兩維運(yùn)動(dòng)受到限制.能帶y z方向運(yùn)動(dòng)受到限制, y z方向能量量子化.與均勻磁場中電子比較磁場沿x軸方向,y,z方向能量量子化.其中朗道能級(jí)為 能級(jí)等間隔. 而量子線中,能級(jí)間非等間隔. 態(tài)密度分布3. 準(zhǔn)零維系統(tǒng)（量子點(diǎn)d=0）準(zhǔn)零維系統(tǒng): 量子點(diǎn),量子合，人工原子,納米晶體.模型波函數(shù)和能量電子： 式中式中 類似.)單個(gè)量子點(diǎn)的能量是量子化的.當(dāng)量子點(diǎn)為邊長為a的正方體時(shí), 空穴：與E與電子相同,只是 能隙：量子點(diǎn)能隙比體材料大.態(tài)密度 量子點(diǎn)類似于沒有發(fā)生電子電離的原子.如果樣品中存在多個(gè)量子點(diǎn), 這些量子點(diǎn)的尺寸一般存在起伏.由于量子點(diǎn)量子化的能量與

2、半徑有關(guān),因此造成量子點(diǎn)態(tài)密度函數(shù)的非均勻加寬.,由此導(dǎo)致能量譜的非均勻加寬.量子點(diǎn)的生長用光刻和蝕刻方法制作量子阱成微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu).量子點(diǎn)側(cè) 面的尺寸通常大于量子阱的寬度,形成煎餅式量子點(diǎn),因此,側(cè)面限制量子化能量一般低于源量子阱的能量.小柱體：水平尺度是厚度的十倍.若直徑為500nm, 量子點(diǎn)有效直徑約為100nm. 玻璃退火的過程摻入半導(dǎo)體成分.該技術(shù)被廣泛運(yùn)用于II-VI族化合物,如（包括x=0,1）以及CdTe和Cu的鹵化物 .量子點(diǎn)的平均直徑隨著退火的時(shí)間和溫度的增加而增加.上圖為硅玻璃基質(zhì)中單個(gè)量子點(diǎn)的高分辨透射的電子顯微圖. 還有一種方法涉及化學(xué)沉淀，如（有機(jī)）液體或凝膠中

3、CdS. 這種方法產(chǎn)生的量子點(diǎn)幾乎都是球形且分界面清晰 ，但是量子點(diǎn)半徑分布極少低于10%.由于量子點(diǎn)量子化的能量與半徑有關(guān)，因此造成量子點(diǎn)態(tài)密度函數(shù)的非均勻加寬. 另一種可能方法是在沸石晶體（天然硅鋁酸鹽礦石，在灼燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn) 象，多空材料，一種分子篩，有特定的均一孔徑(0.31nm)，只能通過相應(yīng)大小的分子）或合成蛋白石(硬化的二氧化硅膠凝體)空隙中生長量子點(diǎn). 自組織量子點(diǎn)或在適當(dāng)條件下厚度起伏情況下產(chǎn)生量子點(diǎn)，如在強(qiáng)晶格失配系統(tǒng)（晶格失配高于5%）中, 除了位錯(cuò)，在浸潤層上還生長著小丘. 這些小丘或棱錐（體） 里，生長層向著本身晶格產(chǎn)生馳豫,可以用掃描顯微鏡觀察到.這類自組織量子點(diǎn)

4、或量子島中最佳系統(tǒng)是多種情況下，生長過程中勢阱和勢壘材料之間通常存在大范圍混合，所形成量子島成分和厚度的起伏要比界面清晰的 棱錐（體）更顯著. 另外在許多情況下，這些棱錐體甚至不具有所期望的化學(xué)成分. ZnSe上形成棱錐體，例如在空氣中，甚至CdSe不存在條件下，以及CdSe/CdS系統(tǒng)中，掃描顯微圖也顯示出量子島，它們很可能是Se沉淀. 然而，最近的研究表明，量子島的中心至少存在幾乎純凈的InAs和CdSe.在量子阱中某局域位置，經(jīng)厚度或成分起伏產(chǎn)生的究竟是量子島還是量子點(diǎn)，目前還沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn).三維正交勢阱的交點(diǎn)處，載流子勢能達(dá)到最小值，在三維空間都受到限制。應(yīng)變源：它們是一片生長在量

5、子阱上勢壘薄層之上的晶格失配材料. 應(yīng)變源對(duì)量子阱材料施加的應(yīng)力必然減小應(yīng)變源下面勢阱材料處能隙的寬度，并且產(chǎn)生限制性的側(cè)面勢.產(chǎn)生量子點(diǎn)小結(jié)：現(xiàn)在的研究目標(biāo)是將量子點(diǎn)在三維格子中排列，產(chǎn)生人工體材料。歷史的重復(fù)：上世紀(jì)初，開始研究具有分立能級(jí)的原子系統(tǒng)分子原子集合至三維結(jié)晶固體能帶結(jié)構(gòu)和EwaldBloch理論.然后，又通過限制勢（不同于原子庫倫勢）減小維度直至人工原子，又產(chǎn)生分立能級(jí). 現(xiàn)在的研究又要組合這些人工原子，形成三維固體.可以預(yù)言：只要人工原子在尺寸和形狀上足夠均勻，彼此電耦合足夠強(qiáng)，就不會(huì)產(chǎn)生新的能帶形式.10.9缺陷 缺陷態(tài) 摻雜真實(shí)晶體中普遍存在缺陷，前面已提到缺陷產(chǎn)生聲子

6、局域模.電子態(tài)同樣與缺陷有關(guān), 集中在缺陷上：一維位錯(cuò), 二維堆垛層錯(cuò)，晶粒間界, 表面, 界面或三維沉積和空隙. 即使很好的材料中,缺陷的密度也達(dá)到僅僅是文獻(xiàn)中結(jié)果,通常僅針對(duì)于“電激發(fā)”產(chǎn)生的缺陷,(這意味著電離施主和受主的濃度存在差異),這里忽略了不是由電激活缺陷,但是它們?nèi)匀豢梢宰鳛樯⑸浠驈?fù)合中心.在高質(zhì)量材料中,位錯(cuò)的濃度范圍為缺陷的電性質(zhì)1.輕度摻雜施主雜質(zhì)施主原子的能級(jí)低于本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底，施主原子經(jīng)熱電離，填充在導(dǎo)帶中,成為帶正電中心,可束縛電子.電子可以在晶體中運(yùn)動(dòng). 施主通常由被取代原子所在族的右邊取代原子形成，如N或P取代Ge或Si, Si取代GaAs中Ga，Cl取代Z

7、nSe中Se，Ga或In取代Zn等等.另外，施主也可由有一個(gè)弱束縛電子的填隙原子形成，如II-VI化合物中H,Li或Na. n型半導(dǎo)體：主要靠電子帶電.施主電離能族在Ge 和Si中 與室溫下可比,因此, 室溫下施主雜 質(zhì)絕大部分是電離的.受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)：能夠從價(jià)帶接受電子，自身成為負(fù)離子的雜質(zhì). h填充在價(jià)帶中,可以在晶體中運(yùn)動(dòng). 成為帶負(fù)電中心,可束縛空穴.受主通常由被取代原子所在族的左邊取代原子形成，如Ga或B 取代Ge或Si, 由如Li或Na 取代II-VI化合物中陽離子， N取代陰離子， GaAs 中Si取代As，而Be取代Ga.受主電離能族原子在Ge 和Si中 p型半導(dǎo)體：主要靠空

8、穴帶電.與室溫下 可比,因此, 室溫下受主雜質(zhì)絕大部分是電離的.摻入少量受主雜質(zhì)可使空穴濃度大大增加. 淺能級(jí)雜質(zhì)帶電中心形成附加（短程）勢場,有可能類氫模型使載流使子束縛在雜質(zhì)或缺陷周圍,產(chǎn)生局域態(tài),其能級(jí)位于能隙中.嚴(yán)格理論可以證明：只要晶體中附加勢場變化足夠緩慢,導(dǎo)帶中電子在該勢場中的運(yùn)動(dòng)就可以由有效質(zhì)量加以描述.電子圍繞正電中心的運(yùn)動(dòng)與圍繞氫原子核的運(yùn)動(dòng)完全相似,只是庫侖勢場的作用大大Ge Si 削弱, 束縛能為其中為氫原子里德堡能量，為主量子數(shù)，為介電常數(shù).對(duì)于軌道半徑范圍從1至20nm,取決于材料參數(shù).歸結(jié)為有效質(zhì)量的利用.另外,形成施主或受主原子的化學(xué)性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，這稱為中心

9、晶胞修正，或化學(xué)移動(dòng).隨著淺施主或受主的軌道半徑減小，類似于聲子局域模,淺施主或受主的波函數(shù)可以描述為布洛赫波函數(shù)的疊加，取值范圍增大.熱平衡條件下，施主或受主的占有率由費(fèi)米統(tǒng)計(jì)決定，其中描述能級(jí)的簡并度，例如電離施主基態(tài)對(duì)應(yīng)電子自旋相反兩個(gè)狀態(tài).施主或受主對(duì):一對(duì)施主或受主在空間非常接近，它們的波函數(shù)重疊.施主或受主對(duì)不但存在于體材料中，也存在于量子結(jié)構(gòu)中, 但是情況要復(fù)雜些.例如電子對(duì)施主束縛能取決于施主相對(duì)勢壘材料界面的位置.與(M)QW有關(guān)的兩種摻雜方法：摻雜是在外延生長過程中摻入二維雜質(zhì)原子層，生長方向的濃度幾乎是函數(shù)截面.調(diào)制摻雜：在(M)QW勢壘中摻入雜質(zhì)原子. 電子（空穴）熱電

10、離進(jìn)入勢壘的導(dǎo)帶（價(jià)帶）, 然后通過熱擴(kuò)散達(dá)到勢阱，被俘獲,這樣在勢阱中以高遷移率產(chǎn)生高二維載流子濃度.帶電的雜質(zhì)與流動(dòng)載流子在空間是分離的, 部分甚至在摻雜的勢壘和勢阱之間加入未摻雜的勢壘層, 因此減少帶電的雜質(zhì)與流動(dòng)載流子之間散射.電離的摻雜原子和自由載流子的空間電荷導(dǎo)致能帶的彎曲, 此能帶可以由泊松方程求解，其中是靜勢能，為空間電荷.調(diào)制摻雜是高電子遷移晶體管，或調(diào)制摻雜場效應(yīng)管的基礎(chǔ)。在SL或MQW中施主和受主的束縛能取決于距勢壘距離決定的參數(shù)。 深能級(jí)雜質(zhì)遠(yuǎn)離CB, 遠(yuǎn)離VB(在能隙中心附近).雜質(zhì)產(chǎn)生多重能級(jí)族雜質(zhì)Se,Te在Ge中產(chǎn)生兩重施主能級(jí)；族雜質(zhì)產(chǎn)生兩重受主能級(jí)；族雜質(zhì)產(chǎn)

11、生三重受主能級(jí).能隙內(nèi)雜質(zhì)能級(jí)間產(chǎn)生躍遷.關(guān)于寬帶半導(dǎo)體和絕緣體能隙內(nèi)深中能隙越寬，能級(jí)數(shù)增多.深中心的載流子有時(shí)與體材料和（或）局域聲子模發(fā)生強(qiáng)耦合，產(chǎn)生非常寬的輻射譜和吸收譜，上述氫原子理論對(duì)深中心不完全適用.因?yàn)橛迷丛榆壍浪枋龅牟ê瘮?shù)必須考慮周圍原子的影響,即鄰近原子的分布的對(duì)稱性,銅、鎳 、鐵、鉻和其它元素都心之間躍遷研究已經(jīng)很成熟. 這樣的深中心可以和導(dǎo)帶和價(jià)帶交換載流子（相比施主和受主）,它們被稱為復(fù)合中心.復(fù)合可能產(chǎn)生電磁輻射,或非輻射（產(chǎn)生聲子）.一些深中心提供了電子-空穴對(duì)退激發(fā)快速復(fù)合渠道,使載流子的壽命大大降低,影響發(fā)光效率.具有這樣的深能級(jí).等電子雜質(zhì):晶格中原子被同族原子所取代.可以形成電子或空穴的陷阱. 如Te(族元素)取代ZnS中S(族元素), Te取代ZnSe中Se(族元素). 兩性雜質(zhì)：即起施主,又起受主作用,并且（電子被中性雜質(zhì)所接受,相應(yīng)處于較高的能量狀態(tài)). 這取決于雜質(zhì)摻入晶格中的方式,