量子限制杂质远红外发光器的研制及相关理论计算

摘要

量子限制杂质远红外发光器是种全新的器件，它可以发射波长在太赫兹区域，是目前远红外发光材料和器件研究的一个热点。本文围绕远红外发光器这一主题，以对太赫兹发光器的理论研究为切入点，开展了对太赫兹发光器材料的选择、器件制备以及特性分析的研究。
　　 本文首先介绍了基于量子点的远红外发光器件的研究背景，延伸出太赫兹频率的广泛应用及其辐射和探测技术，然后回顾半导体量子点的研究进展及存在的问题，从而引入本论文的工作---太赫兹远红外发光器件，给出了远红外发光器件制备的基本原理和采用的外延生长方法。基本原理是在量子限制效应下的杂质原子可以作为单电子量子点，可以发射太赫兹频率，用于制作远红外发光器件。我们是采用通过生长半导体超品格常用的分子束外延方法(MBE)制备了半导体低维GaAs/A1As量子阱系统，并在GaAs量子阱中delta-掺杂受主Be原子制成我们所需要的样品结构，然后利用此样品通过半导体工艺制备出δ-掺杂GaAs/A1As多量子阱远红外发光器件。测量了器件的一些电学参数和光学参数，加以解释，从而对提高器件的发光效率提供依据，并进行了相关的理论计算。
　　 利用分子束外延方法在半绝缘(100) GaAs衬底生长GaAs/hlAs三量子阱，阱宽10nm，垒宽5nm，在生长过程中对中间量子阱delta注入受主Be原子，掺杂浓度为5×1010 am-2，其他两阱未作掺杂，制成样品结构。利用此样品通过分割、脱脂、刻蚀、电极接触金属化等工艺过程制作出δ-掺杂GaAs/A1As多量子阱电注入远红外Teraherz原型发光器件。这种器件为利用量子限制杂质原子态之间的跃迁来研发固态太赫兹激光器系统提供了一定的可能性，优点是：通过MBE技术可以精确控制生长；能级结构具有可调性以及量子点所具有的一般物理性质。
　　 实验上测量得到4.5K下器件的电致发光谱(EL)和电传输特性（I-V曲线），这为进一步改善器件的发光性能、提高发光效率提供了理论依据。在外加偏压V=2.0V下EL发射谱中清楚地观察到在222cm-1处宽的尖峰，这是来源于铍受主奇宇称激发态到它的基态的辐射跃迁，而非辐射弛豫过程则使发射谱的信号很弱，这是我们今后需要改进的方面。另外在4.5K下的I-V曲线中0.72伏和1.86伏的位置出现两个共振隧道贯穿现象，分别对应于中问delta-掺杂量子阱受主能级Is3/2(T6+T7)到左边非掺杂GaAs量子阱中HH带及右边非掺杂GaAs量子阱中HH重空穴带到中问掺杂GaAs量子阱中铍受主杂质原子奇宇称激发态2P5/2(T6+r7)能级的其振隧穿。
　　 理论上研究了量子限制效应对限制在GaAs/A1As多量子阱中受主对重空穴束缚能的影响，应用量子力学中的变分原理，数值计算了受主对重空穴束缚能随量子阱宽度的变化关系，以及变分参数随量了阱宽度的变化曲线，所取的量子阱宽度从3nm到30nm的范围，与实验值相比较发现理论计算和实验结果符合的较好。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 国内外发展趋势

1.2.1 半导体量子点

1.2.2 量子点制备方法的研究进展

1.2.3 量子点在发展中存在的问题

1.3 课题主要研究内容

1.4 研究的目的和意义

第二章 样品的制备及测试方法

2.1 实验原理与实验设备

2.1.1 分子束外延(MBE)技术

2.1.2 红外Fourier光谱仪

2.1.3 HP4156A半导体参数分析仪

2.2 样品的制备

2.2.1 衬底的选择与预处理

2.2.2 δ-掺杂GaAs/AIAs多量子阱样品的制备

2.2.3 远红外发光器的制作工艺

2.3 测试方法

第三章 δ-掺杂量子阱Thz远红外发光器件的特性研究

3.1 量子阱的能态结构及限制阱中受主原子的能带结构

3.1.1 异质结量子阱的量子态

3.1.2 受主原子在量子阱中的能级结构

3.2 三量子阱远红外发光器的光学性质

3.2.1 远红外吸收谱

3.2.2 电致发光谱

3.3 三量子阱远红外发光器的I-V特性

第四章 理论计算与讨论

4.1 理论方法

4.2 理论计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 受主束缚能与量子阱宽度的变化关系

4.3.2 变分参数与量子阱宽度的变化关系

第五章 总结

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 有待深入解决的问题

附录

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文及参与课题

学位论文评阅及答辩情况表