半导体光学2017准一维系统量子线

1、2.准一维系统（量子线）构成：载流子两维运动受到限制.能带y z方向运动受到限制, y z方向能量量子化.与均匀磁场中电子比较磁场沿x轴方向,y,z方向能量量子化.其中朗道能级为 能级等间隔. 而量子线中,能级间非等间隔. 态密度分布3. 准零维系统（量子点d=0）准零维系统: 量子点,量子合，人工原子,纳米晶体.模型波函数和能量电子： 式中式中 类似.)单个量子点的能量是量子化的.当量子点为边长为a的正方体时, 空穴：与E与电子相同,只是 能隙：量子点能隙比体材料大.态密度 量子点类似于没有发生电子电离的原子.如果样品中存在多个量子点, 这些量子点的尺寸一般存在起伏.由于量子点量子化的能量与

2、半径有关,因此造成量子点态密度函数的非均匀加宽.,由此导致能量谱的非均匀加宽.量子点的生长用光刻和蚀刻方法制作量子阱成微观结构或纳米结构.量子点侧 面的尺寸通常大于量子阱的宽度,形成煎饼式量子点,因此,侧面限制量子化能量一般低于源量子阱的能量.小柱体：水平尺度是厚度的十倍.若直径为500nm, 量子点有效直径约为100nm. 玻璃退火的过程掺入半导体成分.该技术被广泛运用于II-VI族化合物,如（包括x=0,1）以及CdTe和Cu的卤化物 .量子点的平均直径随着退火的时间和温度的增加而增加.上图为硅玻璃基质中单个量子点的高分辨透射的电子显微图. 还有一种方法涉及化学沉淀，如（有机）液体或凝胶中

3、CdS. 这种方法产生的量子点几乎都是球形且分界面清晰 ，但是量子点半径分布极少低于10%.由于量子点量子化的能量与半径有关，因此造成量子点态密度函数的非均匀加宽. 另一种可能方法是在沸石晶体（天然硅铝酸盐矿石，在灼烧时会产生沸腾现 象，多空材料，一种分子筛，有特定的均一孔径(0.31nm)，只能通过相应大小的分子）或合成蛋白石(硬化的二氧化硅胶凝体)空隙中生长量子点. 自组织量子点或在适当条件下厚度起伏情况下产生量子点，如在强晶格失配系统（晶格失配高于5%）中, 除了位错，在浸润层上还生长着小丘. 这些小丘或棱锥（体） 里，生长层向着本身晶格产生驰豫,可以用扫描显微镜观察到.这类自组织量子点

4、或量子岛中最佳系统是多种情况下，生长过程中势阱和势垒材料之间通常存在大范围混合，所形成量子岛成分和厚度的起伏要比界面清晰的 棱锥（体）更显著. 另外在许多情况下，这些棱锥体甚至不具有所期望的化学成分. ZnSe上形成棱锥体，例如在空气中，甚至CdSe不存在条件下，以及CdSe/CdS系统中，扫描显微图也显示出量子岛，它们很可能是Se沉淀. 然而，最近的研究表明，量子岛的中心至少存在几乎纯净的InAs和CdSe.在量子阱中某局域位置，经厚度或成分起伏产生的究竟是量子岛还是量子点，目前还没有一个明确的标准.三维正交势阱的交点处，载流子势能达到最小值，在三维空间都受到限制。应变源：它们是一片生长在量

5、子阱上势垒薄层之上的晶格失配材料. 应变源对量子阱材料施加的应力必然减小应变源下面势阱材料处能隙的宽度，并且产生限制性的侧面势.产生量子点小结：现在的研究目标是将量子点在三维格子中排列，产生人工体材料。历史的重复：上世纪初，开始研究具有分立能级的原子系统分子原子集合至三维结晶固体能带结构和EwaldBloch理论.然后，又通过限制势（不同于原子库伦势）减小维度直至人工原子，又产生分立能级. 现在的研究又要组合这些人工原子，形成三维固体.可以预言：只要人工原子在尺寸和形状上足够均匀，彼此电耦合足够强，就不会产生新的能带形式.10.9缺陷 缺陷态 掺杂真实晶体中普遍存在缺陷，前面已提到缺陷产生声子

6、局域模.电子态同样与缺陷有关, 集中在缺陷上：一维位错, 二维堆垛层错，晶粒间界, 表面, 界面或三维沉积和空隙. 即使很好的材料中,缺陷的密度也达到仅仅是文献中结果,通常仅针对于“电激发”产生的缺陷,(这意味着电离施主和受主的浓度存在差异),这里忽略了不是由电激活缺陷,但是它们仍然可以作为散射或复合中心.在高质量材料中,位错的浓度范围为缺陷的电性质1.轻度掺杂施主杂质施主原子的能级低于本征半导体的导带底，施主原子经热电离，填充在导带中,成为带正电中心,可束缚电子.电子可以在晶体中运动. 施主通常由被取代原子所在族的右边取代原子形成，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，施主也可由有一个弱束缚电子的填隙原子形成，如II-VI化合物中H,Li或Na. n型半导体：主要靠电子带电.施主电离能族在Ge 和Si中 与室温下可比,因此, 室温下施主杂 质绝大部分是电离的.受主杂质受主杂质：能够从价带接受电子，自身成为负离子的杂质. h填充在价带中,可以在晶体中运动. 成为带负电中心,可束缚空穴.受主通常由被取代原子所在族的左边取代原子形成，如Ga或B 取代Ge或Si, 由如Li或Na 取代II-VI化合物中阳离子， N取代阴离子， GaAs 中Si取代As，而Be取代Ga.受主电离能族原子在Ge 和Si中 p型半导体：主要靠空

8、穴带电.与室温下 可比,因此, 室温下受主杂质绝大部分是电离的.掺入少量受主杂质可使空穴浓度大大增加. 浅能级杂质带电中心形成附加（短程）势场,有可能类氢模型使载流使子束缚在杂质或缺陷周围,产生局域态,其能级位于能隙中.严格理论可以证明：只要晶体中附加势场变化足够缓慢,导带中电子在该势场中的运动就可以由有效质量加以描述.电子围绕正电中心的运动与围绕氢原子核的运动完全相似,只是库仑势场的作用大大Ge Si 削弱, 束缚能为其中为氢原子里德堡能量，为主量子数，为介电常数.对于轨道半径范围从1至20nm,取决于材料参数.归结为有效质量的利用.另外,形成施主或受主原子的化学性质也会产生影响，这称为中心

9、晶胞修正，或化学移动.随着浅施主或受主的轨道半径减小，类似于声子局域模,浅施主或受主的波函数可以描述为布洛赫波函数的叠加，取值范围增大.热平衡条件下，施主或受主的占有率由费米统计决定，其中描述能级的简并度，例如电离施主基态对应电子自旋相反两个状态.施主或受主对:一对施主或受主在空间非常接近，它们的波函数重叠.施主或受主对不但存在于体材料中，也存在于量子结构中, 但是情况要复杂些.例如电子对施主束缚能取决于施主相对势垒材料界面的位置.与(M)QW有关的两种掺杂方法：掺杂是在外延生长过程中掺入二维杂质原子层，生长方向的浓度几乎是函数截面.调制掺杂：在(M)QW势垒中掺入杂质原子. 电子（空穴）热电

10、离进入势垒的导带（价带）, 然后通过热扩散达到势阱，被俘获,这样在势阱中以高迁移率产生高二维载流子浓度.带电的杂质与流动载流子在空间是分离的, 部分甚至在掺杂的势垒和势阱之间加入未掺杂的势垒层, 因此减少带电的杂质与流动载流子之间散射.电离的掺杂原子和自由载流子的空间电荷导致能带的弯曲, 此能带可以由泊松方程求解，其中是静势能，为空间电荷.调制掺杂是高电子迁移晶体管，或调制掺杂场效应管的基础。在SL或MQW中施主和受主的束缚能取决于距势垒距离决定的参数。 深能级杂质远离CB, 远离VB(在能隙中心附近).杂质产生多重能级族杂质Se,Te在Ge中产生两重施主能级；族杂质产生两重受主能级；族杂质产

11、生三重受主能级.能隙内杂质能级间产生跃迁.关于宽带半导体和绝缘体能隙内深中能隙越宽，能级数增多.深中心的载流子有时与体材料和（或）局域声子模发生强耦合，产生非常宽的辐射谱和吸收谱，上述氢原子理论对深中心不完全适用.因为用源原子轨道所描述的波函数必须考虑周围原子的影响,即邻近原子的分布的对称性,铜、镍 、铁、铬和其它元素都心之间跃迁研究已经很成熟. 这样的深中心可以和导带和价带交换载流子（相比施主和受主）,它们被称为复合中心.复合可能产生电磁辐射,或非辐射（产生声子）.一些深中心提供了电子-空穴对退激发快速复合渠道,使载流子的寿命大大降低,影响发光效率.具有这样的深能级.等电子杂质:晶格中原子被同族原子所取代.可以形成电子或空穴的陷阱. 如Te(族元素)取代ZnS中S(族元素), Te取代ZnSe中Se(族元素). 两性杂质：即起施主,又起受主作用,并且（电子被中性杂质所接受,相应处于较高的能量状态). 这取决于杂质掺入晶格中的方式,