量子点和量子点激光器

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1、 量子点(Quantum Dots) 和 量子点激光器制作者：张兴凯 0410352向吟啸 0410302郭尚雨 0410335 量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero- dimensional)的纳米材料，由少量的原子构成。 外观恰似一极小的点状物，粗略地说，量子点三 个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内 部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子 局限效应(quantum confinement effect)特别显 著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子 能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质 ，而量子点也因此被称为“人造原子”(artific

2、ial atom)。量子点有极大的应用潜力。科学家已经 发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种 纳米材料在二十一世纪的纳米电子学 (nanoelectronics)上有极大的应用潜力。 量子点可视为电子物质波的 共振腔，电子在量子点内会 有类似电磁波在一般共振腔 中的共振现象。当局限位能 壁（potential-wall）较薄 时，量子点中的电子可因穿 隧效应（tunneling effect ）而逃离，我们称之为开放 式量子点（open quantum dot），如图所示，其类似 一开放共振腔（open cavity），此时电子能阶不 再是稳态(stationary state) 而是一

3、种准稳态（quasi- stationary state）；电子 停留在准稳态约一个生命周 期（life time）后就会逃离 量子点。在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子局限 效应不显着。 如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能 在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统 我们称为量子阱(quantum well)； 如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子 只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantum wire)； 当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点 了（quantum dot）。若要严格定义量子点，则必须由量子力学

4、(quantum mechanics)出发。 我们知道电子具有粒子性与波动性，电 子的物质波特性取决于其费米波长(Fermi wavelength) F = 2 / kF 量子阱、量子线及量子点能级 比较关系示意图 所以并非小到100nm以下的材料就是量子 点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意 波长或平均自由程。一般而言，电子费米 波长在半导体内较在金属内长得多，例如 在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长 约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。1.化学溶胶法 (chemical colloidal method)： 可制作复层 (multilayered)量子 点，过程简单，且可 大量生

5、产。 量子点的制造方法：量子点的制备可采用分子束外延技术在各种 自然表面上直接生长的方法。如在小偏角表面(vicinal surface) 超台阶面( super steps) 、高指数表面等或者在一些由人工做出 的图形衬底上生长。如V 形槽、在掩膜表面上选择局部生长、自 组织生长法等。下面介绍几种具体的制备方法2.自组成法(self- assembly method) 采用分子束磊晶 (molecular-beam epitaxy)或化学气相 沉积(chemical vapor deposition) 制程，并利用晶格 不匹配(lattice mismatch)的原理 ，使量子点在特定 基材

6、表面自聚生长 ，可大量生产排列 规则的量子点。 在GaAs基材上以自组成法生 长 InAs量子点的STM影像(取自Ref.2) 3.微影蚀刻法 (lithographyand etching)： 以光束或电 子束直接在 基材上蚀刻 制作出所要 之图案，由 于相当费时 因而无法大 量生产。以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点 之SEM影像，水 平线条约0.5微米 4.分闸法(split- gate approach)： 以外加电压的方式 在二维量子井平面 上产生二维侷限， 可控制闸极(Gate) 改变量子点的形状 与大小，适合用于 学术研究，但无法 大量生产。以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点

7、之SEM影像 量子点的用途相当广泛，例如：可用于蓝光 雷射、光感测元件、单电子电晶体(single electron transistor, SET)、记忆储存、触 媒以及量子计算(quantum computing)等， 在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点 制成萤光标签，成为生物检测用的纳米条 码。 量子点是目前理论上与实验上的热门研究题 目，世界各国无不积极投入研究，主要领先 的有美国、日本、欧盟及俄罗斯等，台湾也 正在急起直追中。 量子点激光器简单地说,量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中 的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构 成。一个实际量子点激光器（砷化镓

8、铟量子点激光器）的结 构示意图如图所示。能态计算对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质 来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在 能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一 个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占 据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、 零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材 料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。(1) 对于三维体系,在固体物理中,已求得其态 密度与能量的关系是抛物线形,如图(a) 所示 。(2)当体系为在某个方向(如z向)受限的二维体系(量子阱 )时，受限方向(z向)的平移对称性被破坏，kz不再是好量 子数，该方向发生能级分裂。一个本征态的能量

9、可以写 为E=Ei + Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能级 值。 在量子阱中，电子能量所以一个E的分裂值对应一个由各种不同Exy造成的子能 带，该子能带对应的态密度为能态图是阶梯型，如图(b)所示即电子在xy平面运动所对应的子能带能量密度是一个常数 。为了简便，取A=1。于是三维能量的态密度为对于量子线而言，体系在两个方向（如z、y方向）受 限，它的能量和态密度之间的关系可以利用同样的方 法求得，结果是对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限， 载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的 连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为 函数的形式，即其中E

10、i是体系的能量可取值，可表示为3D(E) = ( E - Ei)i量子点的能态图形为类氢光谱状的分离线， 如图(d)所示。一个实际的量子点激光器的能带结构和生长结构示意图量子点激光器能带结构和生长结构示意图1、9为上下欧姆电极接触层；2、8为超晶格缓冲层；3、 7为上下包层；4、6为上下折射率梯度改变分别限制区； 5为量子点有源区。 量子点激光器的优点 1.实际制作的量子点激光器的阈值电流密度己 经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。 1996年N. N. Ledelltsov采用10层 In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子点超晶格结 构为量子点激光器的有源区，使室温下

11、的阈 值电流密度降到90A /cm2。1999年G. T. Liu 等研制成功了室温下阈值电流密度26A/cm2 的InAS/In0.15Ga0.85As量子点激光器。 1997年，Maximov等将量子点置入GaAs/AlGaAs 量子阱中，使量子点中载流子的逸出势垒高度 增加，大大降低了载流子的逸出几率，减小了 漏电流，使激光器的特征温度T0在工作温度 80K-330K之间高达385K，远远高于量子阱激光 器的特征温度，但提高T0的同时却带来了阈值 电流密度的大幅提升。1999年Shernyakov报道 了世界上第一只在室温（低于40）下同时具 有高特征温度T0 (160K）和低阈值电流密

12、度 Jth=65A/cm2 ，三层量子点阵列的GaAs基量子 点激光器，工作波长为1.3m。而目前工作在 同波段的InP基量子阱激光器，最高的特征温 度T0为60-70K ，最低的阈值电流密度Jth为 300-400A/cm2。 3. 对于理想的量子点激光器量子点，它应只有单 一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作 。1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于 阈值电流密度情况下就观察到了单模工作。而 相比之下，量子阱激光器只有远高于阈值电流 密度的情况下才能实现单模工作。 从量子点本身的性质 出发,存在声子瓶颈 效应。当电子被注入 到势垒区的高能级上 时,它必须依靠与声 子

13、的散射作用(放出 声子) ,才能弛豫到 量子阱或量子点中的 低能级上。量子点激光的瓶颈问题声子散射要求能量 守恒和动量守恒。 对于量子阱来说,由 于子能带的存在,这 两个条件很容易同 时满足。但对于量 子点而言,由于电子 能级都是分离的,很 难使两个能级能量 差恰好等于一个光 学声子的能量。因 此,认为量子点缺乏 一种有效的载流子 弛豫途径,称之为声 子瓶颈效应。 事实上,后来的实验证明,这个问题并不 象原来想象的那么严重。在量子点中存 在一个很快的捕获和弛豫机制。现在已 经提出一种弛豫机制:俄歇过程。理论计 算表明,如果二维电子- 空穴等离子体的 密度为1010每平方厘米 ,则电子和空穴的

14、弛豫时间将达10ps ,而这一密度对量子 点来说容易达到,但这一弛豫机制还需要 实验证明。 从制造工艺上,量子点的尺寸大小均匀性 不好控制,也使它的发展受到了阻碍。量子点激光器的未来 量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步 ，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战 ，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进 一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几 个问题： (l) 如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点 的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使 量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远 大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部分 量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影 响了激光器激射阈值的进一步降低； (2) 如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提 高量子点材料的增益； (3) 如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利 于量子点对载流子的俘获和束缚； (4) 如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料 体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争 取覆盖WDM网络中的1.4-1.6m波段。 谢谢观看