光电子低维结构材料和器件的发展

1、光电子低维结构材料和器件发展光电子低维结构材料和器件的发展第1页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，量子点存放器件等） 光学器件（光子晶体）光电子低维结构材料和器件的发展第2页电学器件光电子器件光子器件I T光电子低维结构材料和器件的发展第3页低维物理系（量子阱，超晶格等）器件物理异质界面物理工程结构器件（MQW激光器，APD等）材料科学（MBE，MOCVD等）光电子低维结构材料和器件的发展第4页1946年计算机创造1948年晶体管创造1951年半导体

2、异质结理论提出 1954年太阳能电池创造1955年发光二极管创造结晶生长技术快速发展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年液晶显示器创造1980年高速晶体管创造（富士通）1985年CDROM商品化1987年光纤放大器成功1993年蓝色发光二极管（日亚）1996年DVD商品化光电子器件发展简史光电子低维结构材料和器件的发展第5页低维材料结构半导体材料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发光性

3、质光电子低维结构材料和器件的发展第6页半导体带隙能量与晶格常数光电子低维结构材料和器件的发展第7页IIIV族宽禁带半导体ZnMgSeTe5.668-6.37A2.1-3.6eVZnO发展SiC发展光电子低维结构材料和器件的发展第8页GaN材料系统中村修二从1979年在日亚（Nichia）1.9eV-6.2eV,AlN,AlGaN/GaN HFETs光电子低维结构材料和器件的发展第9页SiGeC材料光电子低维结构材料和器件的发展第10页半导体能带结构光电子低维结构材料和器件的发展第11页半导体材料掺杂光电子低维结构材料和器件的发展第12页材料界面光电子低维结构材料和器件的发展第13页第一布里源区

4、能带折叠光电子低维结构材料和器件的发展第14页Energy(a) bulk(b) quantum well(c) quantum wire(d) quantum box or dotDensity of State量子阱,量子线,量子点材料光电子低维结构材料和器件的发展第15页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）能带工程提出光电子低维结构材料和器件的发展第16页超晶格分类组份超晶格掺杂超晶格应变超晶格I,II,III超晶格光电子低维结构材料和器件的发展第17页掺杂超晶格光电子低维结构材料和器件的发展第18页应变超晶格1986年应变量子阱，开拓了量子阱材

5、料选择自由度，展现优异新功效。光电子低维结构材料和器件的发展第19页二维电子气结构2DEG1980年Klizing发觉量子霍尔效应1985年获奖Si 反型层GaAs/AlGaAs，测量精细结构常数1982年Laughlin,Stoermer,Tsui发觉分数量子霍尔效应1998年获奖 GaAs/AlGaAs1999Lilly郎道能级半添充GaAs/AlGaAs纵向Rxx各向异性光电子低维结构材料和器件的发展第20页量子霍尔效应光电子低维结构材料和器件的发展第21页EC1EV1EC2EV2EC1EV1EC2EV2EC2EV2EC1EV1type Itype IItype IIIGaAs AlAs

6、AlSbGaSbInAsGaSbInAsGaSbAlSbInP AlAsGaAsAlP2.01.00.53.0Wavelength (m)6.0InSbtype Itype IItype IIII,II,III型超晶格光电子低维结构材料和器件的发展第22页I，II，III型超晶格及能带结构光电子低维结构材料和器件的发展第23页单量子阱中能级光电子低维结构材料和器件的发展第24页量子阱能级与态密度关系光电子低维结构材料和器件的发展第25页超晶格发光特征光电子低维结构材料和器件的发展第26页Photon Energy (eV)PL Intensity (arb. units)40mW20mW10m

7、W5mW18K1.61.51.41.31.21.11.0n=0n=1n=2n=2n=1n=0pumping量子阱光致发光光电子低维结构材料和器件的发展第27页低维半导体材料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、量子点制备自组织量子点发光性质光电子低维结构材料和器件的发展第28页 分子束外延生长技术MBE光电子低维结构材料和器件的发展第29页MBE生长机制As分子As分子GaAsGa原子光电子低维结构材料和器件的发展第30页分子束外延生长室光电子低维结构材料和器件的发展第31页Plasma MBE控制柜光电子低维结构材料和器件的发展第32页我试验室购置

8、MBE设备光电子低维结构材料和器件的发展第33页MOCVD系统方框图光电子低维结构材料和器件的发展第34页MOCVDMOCVD是金属有机化学气相沉淀。光电子低维结构材料和器件的发展第35页MOCVD系统示意图光电子低维结构材料和器件的发展第36页MOCVD生长机制光电子低维结构材料和器件的发展第37页CBE系统示意图光电子低维结构材料和器件的发展第38页液相外延生长（LPE）光电子低维结构材料和器件的发展第39页量子线,量子点制备刻蚀再生长量子点自组织生长非平面衬底生长自组织量子线生长光电子低维结构材料和器件的发展第40页光刻机系统光电子低维结构材料和器件的发展第41页下一代光刻技术130纳米

9、技术采取光学光源1纳米软X光射线，13纳米极紫外（EUVL），电子束光电子低维结构材料和器件的发展第42页 刻蚀再生长 光电子低维结构材料和器件的发展第43页量子线制备光电子低维结构材料和器件的发展第44页自组织量子线生长光电子低维结构材料和器件的发展第45页胶体化学制备量子点胶体量子点(colloidal quantum dots)CdSe-CdS量子点光电子低维结构材料和器件的发展第46页外延生长三种模式光电子低维结构材料和器件的发展第47页GaAs基板GaAsInAs = 0MLInAs kT静电能量电子数控制和超低耗电晶体管 单电子效应单电子效应 e22C 单电子晶体管光电子低维结构材

10、料和器件的发展第101页统计密度 (bit/inch2)最小器件尺寸 (nm)存放器件发展情况电流控制电子数控制 1存放100e 单电子存放光电子低维结构材料和器件的发展第102页2DEG系统加调制电极MBE生长异质结GaAs/AlGaAsCr-Cu电极Vp1,Vp3控制量子点和源漏耦合Vp2控制两个量子点耦合Vg1,Vg2,Vg3控制两个量子点尺寸光电子低维结构材料和器件的发展第103页垂直双势垒异质结量子点阱12nm In0.05Ga0.95As垒9,7.5nm Al0.22Ga0.78As栅极控制量子点中电子0到几十展现原子壳层结构和Hund规则光电子低维结构材料和器件的发展第104页S

11、ourceDrainGate10mm400 nm1m1.5mAFM像1 m0.4 m0.4 m0.2 m堆跺量子点 2DEG1.5 m栅电极(Au)电子窄沟道存放器件制做1.5m光电子低维结构材料和器件的发展第105页S.I. GaAs(100) sub.GaAs 100nmAl0.5Ga0.5As 10nmAl0.3Ga0.7As 20nmGaAs 15nmAl0.5Ga0.5As 20nmSourceDrainGateAl0.3Ga0.7As 20nmVDSVGSGaAs 500nmAl0.3Ga0.7As/GaAs S.L.Memory ComponentHEMT ComponentSi

12、-Al0.3Ga0.7As 50nmSi-doped Al0.5Ga0.5AsAl0.3Ga0.7AsGaAs電荷蓄積層50mSDG光学顕微鏡写真量子点存放器件光电子低维结构材料和器件的发展第106页Au (半透明电极)n-GaAs(100) sub.VGIni-GaAs 500nmn-GaAs 500nmAl0.5Ga0.5As 50nmAl0.5Ga0.5As 10nmGaAs 15nm量子点HFET存放器件电荷积累层EFAl0.5Ga0.5Asi-GaAsn-GaAsYHP 4280A 1MHz速度：0.06 V/sec测量温度： 77 K测定条件光电子低维结构材料和器件的发展第107页

13、电荷写入后Si-dopedSi-doped放电后2DEG2DEG充放电能带改变过程光电子低维结构材料和器件的发展第108页量子点和无量子点样品C-V 曲线V=0.75Vbefore charging1sec after chargingV=0.25VCharging operation by keeping the VG at +1.5 V for 5 sec.Discharging operation by photo-illumination for 5 sec.光电子低维结构材料和器件的发展第109页量子点CV曲线77KQDWLin the darkunder illumination光

14、电子低维结构材料和器件的发展第110页存放器件充放电后IV曲线2.502550751001251501750.00.51.01.52.02.51.00.80.60.40.20.01.21.40.51.01.52.00.00.20.40.60.81.01.21.4IDS (mA)VDS (V)(a) after discharging(b) after charging0.0VDS (V)IDS (mA)2.5 充电后 放电后室温VGS=-1.0VVGS=-0.5VVGS=0.0V光电子低维结构材料和器件的发展第111页室温下存放效应保持时间VTH=0.07 V11011021031041051

15、06300KVTH (V)1101102103104105106VTH (V)300KNanodotsDotlessInterface levels & deep levels光电子低维结构材料和器件的发展第112页光电子集成电路（OEIC）光电子低维结构材料和器件的发展第113页光电子低维结构材料和器件的发展第114页 DNA器件光电子低维结构材料和器件的发展第115页低维光子材料：光子晶体发展背景光子晶体概念与光子晶体全向禁带形成光子晶体在光子器件应用光子晶体经典材料制备方法小结光电子低维结构材料和器件的发展第116页发展背景光子含有独特优点和重大应用价值 光子速度快，大带宽（光纤通讯TH

16、z，电子系统KHz）光子极强互连能力与并行能力：光计算机取代现行计算机全光系统和全光芯片发展：光子器件电子器件70年代水平光子晶体发展：实现光子电路光电子低维结构材料和器件的发展第117页光子晶体概念和分类折射率：线性光子晶体（线性折射率改变）和非线性光子晶体（非线性极化率改变）空间结构：一维，二维，和三维光子晶体堆积方式：面心，体心，简立方等结构晶体光电子低维结构材料和器件的发展第118页光子晶体概念和发展研究热潮Yablonovitch 和 John 分别于1987年提出光子晶体概念提供完全不一样机制去禁锢，控制和操纵光传输1991年微波波段光子晶体结构，Yablonovite结构1995

17、年微波波段和年GaAs木桩结构对微加工工艺要求很高，材料制作是瓶颈光电子低维结构材料和器件的发展第119页光子晶体禁带与电子材料禁带周期介电常数和周期势场V玻色子和费密子 控制自发辐射倒易空间，布里渊区，色散关系，布洛赫波，掺杂等互用光电子低维结构材料和器件的发展第120页周期结构光子禁带正方格子中TE与TM不一样三方格子中TE和TM相同光电子低维结构材料和器件的发展第121页物理特征光电子低维结构材料和器件的发展第122页光子晶体禁带带隙三个指标：带隙中心位置，宽度和衰减程度能隙出现处频率与介电周期性晶格长度关系：c/2a光电子低维结构材料和器件的发展第123页器件应用缺点工程: (1)线缺

18、点-光波导：Sharp Bending , 光子晶体光纤等 (2)点缺点-微腔：光子陷阱，零阈值半导体激光器，半导体微腔，单模发光二极管等带工程：super棱镜，负折射率棱镜，偏光分离器，低损耗微波天线，高密度色散赔偿器件，脉冲压缩器件等带边工程：多维DFB激光器，大面积耦合振荡器等光电子低维结构材料和器件的发展第124页半导体光子晶体制备光电子低维结构材料和器件的发展第125页光波导示意图和模拟图光电子低维结构材料和器件的发展第126页大多孔硅制作Mach-Zehnder干涉器件光电子低维结构材料和器件的发展第127页多孔光子晶体光纤传统光纤：存在光能损耗与色散；光子晶体：确保单模传输，提升

19、功率，没有色散Glass管直径0.8mm，总20mm，拉制后光纤约为20200m，中间空110，截面缩小1/1000光电子低维结构材料和器件的发展第128页GaInAsP量子阱光子缺点激光器光电子低维结构材料和器件的发展第129页光电子低维结构材料和器件的发展第130页光电子低维结构材料和器件的发展第131页偏光分离器件利用TE和TM波禁带不一样性TM全部经过，TE全部反射光电子低维结构材料和器件的发展第132页超棱镜现象在集成器件应用不一样波长经过光子晶体和硅片（波长差1，分离角度50，自然结晶仅为0.3）WDMADM器件：实现用波长分波器超高密度集成化光电子低维结构材料和器件的发展第133

20、页负折射率现象新现象，界面透镜，图象传输，开放式微腔光电子低维结构材料和器件的发展第134页光子晶体与VLSI集成光子晶体将光子器件与硅器件集成在一起光学功效材料光子晶体集成光电子低维结构材料和器件的发展第135页一维光子晶体研究进展光子晶体没有缺点和引入缺点光子态密度分布简图超折色现象：对入射光束展宽和分光时间延迟效应：在缺点频率处，光被高度局域，群速度很低，到达时间延迟作用双共振二次谐波：基波和二次谐波分别位于带隙带边位置光学双稳态：缺点层为非线性介质，缺点态频率伴随局域光强度改变，调整入射光频率靠近缺点态频率，对入射光产生反馈，出现双稳态光子局域化：引入无序光电子低维结构材料和器件的发展

21、第136页经典光子晶体制备技术成本低廉，可大面积制作光子晶体是特殊材料必须人工制作精密机械加工制作飞秒激光制作（TPA）用多光束相干方法产生周期微米结构各相异性腐蚀胶体颗粒自组装：等弥散聚苯乙烯或二氧化硅球体（缺点：制备缺点困难）合成蛋白石：Sol-gel粒子在水中或挥发性溶媒悬浊分散，沉降自组装成面心立方结构，溶媒蒸发微模型，微制造法一维光子晶体：比如，聚苯乙烯和碲多层镀膜光电子低维结构材料和器件的发展第137页飞秒激光制作三维光子晶体脉冲极短，辐照区能量难以扩散双光子聚正当，聚焦可见光聚合物材料未曝光材料用溶剂溶解掉光电子低维结构材料和器件的发展第138页全息光刻制作光子晶体三束激光干涉产生二维曝光图象两束激