单电子效应
量子点
n=3
单电子效应 e2 > kT 2C ｰ Vg
静电能量
+
n=2 n=1
单电子晶体管
电子数控制和超低耗电晶体管
存储器件发展情况
1012
电流控制
电子数控制
256G 64G 16G
109
4G 1G 64M 16M 4M 1M
1存储＝100e
200
100
106 1980 1990 2000 Year 2010 2020 2030
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。
• 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
量子霍尔效应
I,II,III型超晶格
2.5 2.0
AlP AlAs
EC2 EC1
GaAs AlAs 0.5 Wavelength (m)
EV1
type I
AlSb
EV2 EC2
Band Gap Energy (eV)
type I
1.5 1.0 0.5 0.0 0.54
GaAs InP
AlSb
EC1
量子限制效应在激光器的应用
波长 (m)
电流密度 (A/cm2)
A. Asada, Y. Miyamoto, and Y. Suematsu, IEEE J. Quantum Electron 22 (1986) 1915.
量子阱激光器结构
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。
(a) Volmer-Weber mode
(b) Stranski-Krastanow mode
(c) Frank-van der Merve mode
InAs/GaAs量子点的生长
InAs wetting layer
da0/a07.2%
InAs dots
GaAs
GaAs基板 InAs = 0ML
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
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
量子阱的光致发光
18K
n=0
PL Intensity (arb. units)
pumping
n=2 n=1 n=0
n=1 40mW 20mW n=2 10mW 5mW
1.0 1.0
1.1 1.1
1.2 1.2
1.3 1.3
1.4 1.4
Cap layer WL QD i-GaAs
PL Intensity (arb.units)
5nm
Blue-shift of ground state QD peak in the 50nm sample
50nm
0.8
1
1.2 Photon Energy
1.4
1.6
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
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
刻蚀再生长
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
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
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）
IT
电学器件 光电子器件 光子器件
0.01 0 5 10 15 -1 1000/T (K ) 20
光致发光谱
GaAs
PL Intensity (arb. units)
60K
WL EX QD1 2 34
20K
700
800
900 1000 1100 1200 1300 Wavelength (nm)
CAP层变化的光致发光
2DEG recombination in 5nm sample
• 线宽 0.3cm-1 • 200K
氮化镓半导体激光器
• 1996年， CW@T233K • 1997年 InGaN,CW@ 300小时，现 在 LD@10000 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
• 833－ 868纳 米 • （775 ）B
H. Shoji et al., semiconductures and semimetals, Vol.60 (1999) 241.
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
材料科学 （MBE，MOCVD等）
（MQW激光器， APD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
光电子器件发展简史
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CD－ROM商品化 1987年光纤放大器成功 1993年蓝色发光二极管（日亚）
材料界面
第一布里源区的能带折叠
量子阱,量子线,量子点材料
(a) bulk
(b) quantum (c) quantum (d) quantum well wire box or dot
Energy
Density of State
能带工程的提出
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）
1.5 1.5
1.6 1.6
Photon Energy (eV)
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
Ga原子 As分子
GaAs
GaAs基板 InAs < 1.7ML
GaAs
GaAs基板 InAs 1.7ML
RHEED在位监测外延生长
电子束 荧光屏
RHEED Intensity (arb. units)
specular spot bulk spot
InAs growth
二维生长
[011]
before growth
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
1996年DVD商品化
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
II－IV族宽禁带半导体
[01ห้องสมุดไป่ตู้]
三维生长
In on In off
[011]
50 60
[011]
0
10
20
30
40
after 2.4 ML growth