Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱复合结构纳米材料光学特性研究

发布时间：2020-06-18 10:30

【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱组合构成的复合结构低维材料具有更为灵活的能带结构调控能力和新颖的物理特性,己经被广泛应用于激光器、红外探测器、电光调制器、太阳能电池等光电子器件。深入研究半导体量子点和量子阱复合结构低维材料的光电特性及载流子动力学机制,对于提高纳米光电器件的性能和拓展其应用领域具有重要的意义。本论文围绕Ⅰ型能带结构InAs/GaAs量子点和I型能带结构InGaAs/GaAs量子阱的点加阱(QDW)耦合注入复合结构,II型能带结构GaSb量子点与GaAs基和InP基InGaAs/GaAs、GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs等几种I型能带结构量子阱组成的QDW和点在阱中(DWELL)复合结构,系统研究了复合结构的分子束外延生长条件和优化方法,利用多种测试手段对复合结构进行了形貌、组份和光学性能表征,深入分析阐述了复合结构的独特光学特性及载流子动力学等相关物理机制,所取得的创新性成果主要有:1.调控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱宽,实现了荧光波长范围覆盖光通信波段,通过研究量子阱界面效应为制备最佳量子阱异质结构提出了针对性的优化方案。对构建复合结构所需的GaAs基InAs/GaAs量子点、GaSb/GaAs量子点和InP基InGaAs/InAlAs量子阱的外延生长条件进行了实验优化。通过控制量子点的生长条件得到面密度合适、尺寸均匀的量子点。调控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱宽实现了荧光波长范围覆盖通信波段,实验测量结合理论模拟分析证实界面不完善对量子阱发光性能有显著影响,通过研究量子阱界面效应为制备最佳量子阱异质结构提出了针对性的优化要求。2.实验发现InAs/GaAs量子点和InGaAs/GaAs量子阱构成的QDW复合结构中存在特殊的载流子双共振隧穿机制。以InAs/GaAs量子点和InGaAs/GaAs量子阱构成QDW复合结构,量子阱承担载流子收集和储存层任务,将收集的载流子隧穿转移到QDs中,荧光谱测量和能级理论计算分析表明,复合结构中存在特殊的载流子双共振隧穿机制,即从量子阱的基态E0QW到QDs的第五激发态Es和从量子阱的第一激发态E1QW到量子点浸润层能级EWL。这种双共振隧穿引起了载流子的更快速转移和注入效率的提高,导致量子阱荧光寿命减小了一个量级,量子点荧光增强近3倍而载流子寿命却几乎没有改变。3.以Ⅱ型GaSb/GaAs量子点和I型InGaAs/GaAs量子阱构成人造Ⅱ型能带QDW复合结构,实验发现量子点浸润层(WL)对QDW内空穴的快速隧穿转移至关重要。以Ⅱ型GaSb/GaAs量子点加I型InGaAs/GaAs量子阱外延生长构成人造⒈型能带QDW复合结构,这种复合结构利用Ⅰ型量子阱直接带隙、吸收截面大的特点,可将其作为电子储存层和空穴注入层,使空穴通过隧穿或转移等方式注入到量子点中。实验发现WL具有快速转移QW空穴到量子点的能力,但是实验也证明复合结构中的WL可以表现出较强的激子局域化效应,在一定程度上削弱量子点的空穴俘获效率。因此提出构建高质量QDW复合结构必须优化GaSb量子点WL,抑制其激子局域化效应。4.提出了QDW和DWELL复合结构优化方案,获得了较Ⅰ型量子阱直接跃迁显著增强的Ⅱ型能带复合结构材料发光。对GaSb/AlGaAs量子点和GaAs/AlGaAs量子阱构成的QDW复合结构进行优化,通过增加量子点面密度和引入宽带隙AlGaAs势垒层等一系列改进措施,成功抑制WL对载流子的局域化,提高了空穴隧穿注入量子点效率,获得了较Ⅰ型量子阱直接跃迁显著增强的Ⅱ型量子点发光。在此基础上,还制备了AlGaAs势垒包围GaSb/GaAs量子点的DWELL复合结构,这种嵌入式复合结构所形成的特殊能带调控使载流子俘获更为直接有效,获得比QDW复合结构更强的Ⅱ型量子点发光。5.以InP基GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱构成的QDW复合结构,获得超过2μm的Ⅱ型量子点发光。组合InP基GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱外延生长获得QDW复合结构,通过调控QDW复合结构中量子点、量子阱和间隔层等相关参数,可以实现较大的带隙调节范围,当GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱的发光波长都调控到～1.5μm时,QDW复合结构发光波长可超过2μm。同时发现,QDW中Ⅱ型GaSb量子点发光强度均显著强于单层GaSb/InAlAs量子点或InGaAs/InAlAs量子阱。通过对以上几种半导体量子点和量子阱组成的QDW和DWELL复合结构的实验研究,证明与单一量子阱和单一量子点结构相比,复合结构的设计与制造拥有更多的选择,量子点尺寸、量子阱阱宽、各层材料组份、间隔层厚度和势垒层材料选择等,都可作为调控复合结构载流子布居、隧穿转移、辐射复合波长和寿命等光学特性的途径,用于改善或定制光电器件的性能。因此,半导体量子点和量子阱构成的复合结构是有效实行能带工程、改善和调控半导体低维量子结构材料物理特性、拓宽低维量子结构纳米材料应用领域的一种有效方案。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O471.1;TB383.1
【图文】：

电子态密度,维度

能和应用领域拓展，具有非常重要的科学意义和应用价值。逡逑半导体材料逡逑技术，是操纵、加工、研宄尺度在ｌ￣ｌ00邋ｎｍ的维度受限的化规律的技术，旨在创造具有全新的功能物质和器件。１９５９著名的诺贝尔奖获得者费曼（Ｒｉｃｈａｒｄ邋Ｆｅｙｎｍａｎ）首次提出了“江琦和朱兆祥在研制负微分电阻新器件时设想，如果把禁带的半导体材料（如ＧａＡｓ和ＡｌＧａＡｓ等）在纳米尺度上周期晶格，则在生长方向上电子能量将出现量子化。１９７１年，美博士，利用分子束外延技术在原子尺度裁剪ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ生晶格结构材料。超晶格理论与实验的创新，突破了传统光电半导体光电器件的设计与制造进入纳米科技时代，从之前的展到“能带工程”，为研制可“灵活剪裁”光电性质的新颖量自此低维半导体材料成为半导体物理最重要、最活跃的研究

示意图,跃迁,示意图,能量

效率和辐射复合效率低，一直是限制其应用的难题，而ＱＤＷ结构恰好提供了解决逡逑方案。２００９年，Ｙｏｕ－Ｒｕ邋Ｌｉｎ等将ＩＩ型ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ量子讲通过５邋ｎｍ邋ＧａＡｓ间隔层逡逑与ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点组成复合结构，如图１．４所示，发现ＱＷ发光蓝移且强度增加逡逑４邋倍１６３］。２０１６邋年，Ｃｏｕｔｏ邋等研宄了邋ＩＩ邋型邋ＧａＳｂ／ＡｌＧａＡｓ邋量子点和邋ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ邋量子逡逑阱复合结构，ＰＬＥ谱证明空穴由量子阱隧穿到量子点是抑制量子阱发光的原因，逡逑调控间隔层厚度可将激子寿命延长至７００邋ｎｓ？５邋Ｍｓ［６４１。ＩＩ型能带结构的引入给ＱＤＷ逡逑结构的研究提供了新的视角，增加了结构设计的自由度，这种对载流子独特的调逡逑控手段展示了巨大的应用潜力。逡逑ＱＷ逦ＱＤｓ逦．邋．逡逑ＩｎＧａＡｓ逦ＩｎＡｓ逦ＩｎＡｊＱＰ逡逑￣ｉ逦ｒ逦Ｅｃ逦Ｅｖ邋Ｅｃ逡逑｜１＞邋加邋｜２＞逦一逡逑Ｓ邋－＾＇ｔ２３逦Ｅ＾＾＾＾ＧａＡＳｏ＇Ｊｓｂ＇ｏＴＱＷ邋！逡逑Ｔ１0邋＜ｔ：＾ｌ３＞逦、秦Ｚ逦逦ｋ－；邋Ｉ—１邋Ｈ逡逑－＿逦Ｔ逦ＧａＡｓ邋ｂｕｆｆｅｒ逡逑Ｔ３０逦Ｉ——？邋Ｘ邋一丨—一—逡逑—逦Ｌｉ＿邋丨邋0〉逡逑图１．３ＱＤＷ结构和跃迁的能量示意图［６0１逦＿逡逑图１．４邋ＱＤＷ结构和能带示意图Ｉ６３】逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｃｈｅｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＱＤＷ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｂａｎｄ邋ｓｃｈｅｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＱＤＷ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．逡逑ａｎｄ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ邋ｕｎｄｅｒ邋ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．逡逑可见，ＱＤＷ复

【参考文献】