【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族半導體量子點和量子阱組合構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)低維材料具有更為靈活的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控能力和新穎的物理特性,己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于激光器、紅外探測器、電光調(diào)制器、太陽能電池等光電子器件。深入研究半導體量子點和量子阱復(fù)合結(jié)構(gòu)低維材料的光電特性及載流子動力學機制,對于提高納米光電器件的性能和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。本論文圍繞Ⅰ型能帶結(jié)構(gòu)InAs/GaAs量子點和I型能帶結(jié)構(gòu)InGaAs/GaAs量子阱的點加阱(QDW)耦合注入復(fù)合結(jié)構(gòu),II型能帶結(jié)構(gòu)GaSb量子點與GaAs基和InP基InGaAs/GaAs、GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs等幾種I型能帶結(jié)構(gòu)量子阱組成的QDW和點在阱中(DWELL)復(fù)合結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)的分子束外延生長條件和優(yōu)化方法,利用多種測試手段對復(fù)合結(jié)構(gòu)進行了形貌、組份和光學性能表征,深入分析闡述了復(fù)合結(jié)構(gòu)的獨特光學特性及載流子動力學等相關(guān)物理機制,所取得的創(chuàng)新性成果主要有:1.調(diào)控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱寬,實現(xiàn)了熒光波長范圍覆蓋光通信波段,通過研究量子阱界面效應(yīng)為制備最佳量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)提出了針對性的優(yōu)化方案。對構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)所需的GaAs基InAs/GaAs量子點、GaSb/GaAs量子點和InP基InGaAs/InAlAs量子阱的外延生長條件進行了實驗優(yōu)化。通過控制量子點的生長條件得到面密度合適、尺寸均勻的量子點。調(diào)控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱寬實現(xiàn)了熒光波長范圍覆蓋通信波段,實驗測量結(jié)合理論模擬分析證實界面不完善對量子阱發(fā)光性能有顯著影響,通過研究量子阱界面效應(yīng)為制備最佳量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)提出了針對性的優(yōu)化要求。2.實驗發(fā)現(xiàn)InAs/GaAs量子點和InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成的QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在特殊的載流子雙共振隧穿機制。以InAs/GaAs量子點和InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成QDW復(fù)合結(jié)構(gòu),量子阱承擔載流子收集和儲存層任務(wù),將收集的載流子隧穿轉(zhuǎn)移到QDs中,熒光譜測量和能級理論計算分析表明,復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在特殊的載流子雙共振隧穿機制,即從量子阱的基態(tài)E0QW到QDs的第五激發(fā)態(tài)Es和從量子阱的第一激發(fā)態(tài)E1QW到量子點浸潤層能級EWL。這種雙共振隧穿引起了載流子的更快速轉(zhuǎn)移和注入效率的提高,導致量子阱熒光壽命減小了一個量級,量子點熒光增強近3倍而載流子壽命卻幾乎沒有改變。3.以Ⅱ型GaSb/GaAs量子點和I型InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成人造Ⅱ型能帶QDW復(fù)合結(jié)構(gòu),實驗發(fā)現(xiàn)量子點浸潤層(WL)對QDW內(nèi)空穴的快速隧穿轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。以Ⅱ型GaSb/GaAs量子點加I型InGaAs/GaAs量子阱外延生長構(gòu)成人造⒈型能帶QDW復(fù)合結(jié)構(gòu),這種復(fù)合結(jié)構(gòu)利用Ⅰ型量子阱直接帶隙、吸收截面大的特點,可將其作為電子儲存層和空穴注入層,使空穴通過隧穿或轉(zhuǎn)移等方式注入到量子點中。實驗發(fā)現(xiàn)WL具有快速轉(zhuǎn)移QW空穴到量子點的能力,但是實驗也證明復(fù)合結(jié)構(gòu)中的WL可以表現(xiàn)出較強的激子局域化效應(yīng),在一定程度上削弱量子點的空穴俘獲效率。因此提出構(gòu)建高質(zhì)量QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)必須優(yōu)化GaSb量子點WL,抑制其激子局域化效應(yīng)。4.提出了QDW和DWELL復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,獲得了較Ⅰ型量子阱直接躍遷顯著增強的Ⅱ型能帶復(fù)合結(jié)構(gòu)材料發(fā)光。對GaSb/AlGaAs量子點和GaAs/AlGaAs量子阱構(gòu)成的QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,通過增加量子點面密度和引入寬帶隙AlGaAs勢壘層等一系列改進措施,成功抑制WL對載流子的局域化,提高了空穴隧穿注入量子點效率,獲得了較Ⅰ型量子阱直接躍遷顯著增強的Ⅱ型量子點發(fā)光。在此基礎(chǔ)上,還制備了AlGaAs勢壘包圍GaSb/GaAs量子點的DWELL復(fù)合結(jié)構(gòu),這種嵌入式復(fù)合結(jié)構(gòu)所形成的特殊能帶調(diào)控使載流子俘獲更為直接有效,獲得比QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)更強的Ⅱ型量子點發(fā)光。5.以InP基GaSb/InAlAs量子點和InGaAs/InAlAs量子阱構(gòu)成的QDW復(fù)合結(jié)構(gòu),獲得超過2μm的Ⅱ型量子點發(fā)光。組合InP基GaSb/InAlAs量子點和InGaAs/InAlAs量子阱外延生長獲得QDW復(fù)合結(jié)構(gòu),通過調(diào)控QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)中量子點、量子阱和間隔層等相關(guān)參數(shù),可以實現(xiàn)較大的帶隙調(diào)節(jié)范圍,當GaSb/InAlAs量子點和InGaAs/InAlAs量子阱的發(fā)光波長都調(diào)控到～1.5μm時,QDW復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)光波長可超過2μm。同時發(fā)現(xiàn),QDW中Ⅱ型GaSb量子點發(fā)光強度均顯著強于單層GaSb/InAlAs量子點或InGaAs/InAlAs量子阱。通過對以上幾種半導體量子點和量子阱組成的QDW和DWELL復(fù)合結(jié)構(gòu)的實驗研究,證明與單一量子阱和單一量子點結(jié)構(gòu)相比,復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造擁有更多的選擇,量子點尺寸、量子阱阱寬、各層材料組份、間隔層厚度和勢壘層材料選擇等,都可作為調(diào)控復(fù)合結(jié)構(gòu)載流子布居、隧穿轉(zhuǎn)移、輻射復(fù)合波長和壽命等光學特性的途徑,用于改善或定制光電器件的性能。因此,半導體量子點和量子阱構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)是有效實行能帶工程、改善和調(diào)控半導體低維量子結(jié)構(gòu)材料物理特性、拓寬低維量子結(jié)構(gòu)納米材料應(yīng)用領(lǐng)域的一種有效方案。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O471.1;TB383.1
【圖文】：

能和應(yīng)用領(lǐng)域拓展，具有非常重要的科學意義和應(yīng)用價值。逡逑半導體材料逡逑技術(shù)，是操縱、加工、研宄尺度在ｌ￣ｌ00邋ｎｍ的維度受限的化規(guī)律的技術(shù)，旨在創(chuàng)造具有全新的功能物質(zhì)和器件。１９５９著名的諾貝爾獎獲得者費曼（Ｒｉｃｈａｒｄ邋Ｆｅｙｎｍａｎ）首次提出了“江琦和朱兆祥在研制負微分電阻新器件時設(shè)想，如果把禁帶的半導體材料（如ＧａＡｓ和ＡｌＧａＡｓ等）在納米尺度上周期晶格，則在生長方向上電子能量將出現(xiàn)量子化。１９７１年，美博士，利用分子束外延技術(shù)在原子尺度裁剪ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ生晶格結(jié)構(gòu)材料。超晶格理論與實驗的創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)光電半導體光電器件的設(shè)計與制造進入納米科技時代，從之前的展到“能帶工程”，為研制可“靈活剪裁”光電性質(zhì)的新穎量自此低維半導體材料成為半導體物理最重要、最活躍的研究

效率和輻射復(fù)合效率低，一直是限制其應(yīng)用的難題，而ＱＤＷ結(jié)構(gòu)恰好提供了解決逡逑方案。２００９年，Ｙｏｕ－Ｒｕ邋Ｌｉｎ等將ＩＩ型ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ量子講通過５邋ｎｍ邋ＧａＡｓ間隔層逡逑與ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子點組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖１．４所示，發(fā)現(xiàn)ＱＷ發(fā)光藍移且強度增加逡逑４邋倍１６３］。２０１６邋年，Ｃｏｕｔｏ邋等研宄了邋ＩＩ邋型邋ＧａＳｂ／ＡｌＧａＡｓ邋量子點和邋ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ邋量子逡逑阱復(fù)合結(jié)構(gòu)，ＰＬＥ譜證明空穴由量子阱隧穿到量子點是抑制量子阱發(fā)光的原因，逡逑調(diào)控間隔層厚度可將激子壽命延長至７００邋ｎｓ？５邋Ｍｓ［６４１。ＩＩ型能帶結(jié)構(gòu)的引入給ＱＤＷ逡逑結(jié)構(gòu)的研究提供了新的視角，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度，這種對載流子獨特的調(diào)逡逑控手段展示了巨大的應(yīng)用潛力。逡逑ＱＷ邐ＱＤｓ邐．邋．逡逑ＩｎＧａＡｓ邐ＩｎＡｓ邐ＩｎＡｊＱＰ逡逑￣ｉ邐ｒ邐Ｅｃ邐Ｅｖ邋Ｅｃ逡逑｜１＞邋加邋｜２＞邐一逡逑Ｓ邋－＾＇ｔ２３邐Ｅ＾＾＾＾ＧａＡＳｏ＇Ｊｓｂ＇ｏＴＱＷ邋！逡逑Ｔ１0邋＜ｔ：＾ｌ３＞邐、秦Ｚ邐邐ｋ－；邋Ｉ—１邋Ｈ逡逑－＿邐Ｔ邐ＧａＡｓ邋ｂｕｆｆｅｒ逡逑Ｔ３０邐Ｉ——？邋Ｘ邋一丨—一—逡逑—邐Ｌｉ＿邋丨邋0〉逡逑圖１．３ＱＤＷ結(jié)構(gòu)和躍遷的能量示意圖［６0１邐＿逡逑圖１．４邋ＱＤＷ結(jié)構(gòu)和能帶示意圖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．逡逑可見，ＱＤＷ復(fù)

【參考文獻】

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本文編號：2719109