（凝聚态物理专业论文）半导体中超快动力学过程的研究.pdf

摘要 y ( ；5 0 7 3 6 本文应用乜秒激光技术对发生在半导体材料中的超快动力学过程进行了研 究。对不同的超快过程，采用相对应的研究方法。应用超快光电流谱方法，研究 了g e 量f 点中的载流子退相过程即动量弛豫过程，并对这一过程进行了理论模 拟。应用超快泵浦一探测反射谱方法，研究了掺f e 的i n p 材料中的光生载流予 的能量弛豫过程及扩散过程，提出了个理论模型时实验结果进行了很好的解 释。心 j 超快泉浦一探测吸收谱及荧光谱方法，研究了z n s e 纳米材料r j 的 ：甲 衡载流子的弛豫过程。 l 建立了能用计算机控制的飞秒超快测试系统，这套系统可以测量超快光 电流潜、超快泵浦一探测透利谱、超快泵浦一探测反射潜和瞬态荧光谱，测试系 统最小的叫问分辨率oo 2 1f s 。 2 据我们所知，用超快光电流谱对g e 量子点的退相过程进行研究在崮内外 还未曾报道过。从理沦上推导了脉冲作用下二能级体系的光学b l o c h 方程，应用 眩方程可以对g e 量子点退相过程进行很好的模拟，并获得g c 量了点中的两个 子能级的退相时间均为1 3 0f s ，而s i 体材料中带问退相时i 刈为7 0f s 。g e 量子点 中的退相可能是载流子一载流子散射和载流予一声子散射共同作用的结果。由f 载流子在零维空问受到的散射几率比三维空间小，故g e 量子点的退相时间比s i 的带间跃迁的退相时间要长一些。 3 应用超快泵浦一探测反射谱研究了掺f e 的i n p 中的光生载流子的反射 动力学。根据反射谱的测量可以得出，在激发能级l 载流子布居数的衰减，可以 分为升始几个p s 内的快速衰减过程和随后几十p s 的较慢的衰减过程。前者对应 的是热弛豫过程，后者对应的是扩散过程。考虑到表面复合，我们提出了一个理 论模型来进行模拟载流子的扩散过程。模拟结果表明掺f e 的i n p 的表面复合速 度比原生的l n p 的大得多，掺f e 的l n p 中的载流子扩散系数比原牛的i n p 中的 要低。对丁热弛豫过程的研究，采用高能量光子进彳j 二激发，分析了热弛豫时州随 激发强度的变化。实验结果表明，光生载流予的浓度越高，热弛豫时i 削也就越短。 载流子的热弛豫过程与扩散过程在整个衰减过程中所占的比例，取决丁激发光了 的能量。激发的光子能量越高，热弛豫过程所占的比例也就越高，反之，激发光 子能量越低，扩散过程所占的比例也就越大。 4 对在溶液中的z n s e 纳米颗粒的超快吸收谱的研究表明，电予一声予散射 时间为6 6p s ( 纳米颗粒的平均尺寸为7 5n m ) 、2 5p s ( 4 5n m ) 。随着纳米颗粒 尺寸的减小，载流子与颗粒表面的非弹性碰撞凡率增加，从而使载流子一声子祸 合的强度增强，导致载流子一声子散射时间缩短。在不同温度下的瞬态发光谱研 究表h 爿，光生载流子的带间辐射复合在微秒量级，并随温度的变化而变化，在较 低的温度范围( 1 3k - 1 0 0 k ) 内，随着温度的增加，三重态和单重态之间的跃迁 几率增加得很快，冈此三重态的辐射衰减时间减少很快。在较高的温度范围( 1 0 0 k - 3 0 0 k ) 内，随着温度的增加，单重态到基态辐射复合占优势，竞争性的三重 态和单重态之间的非辐射复合被有效地抑制，所以当温度增加时，单重态的辐射 衰减时间基本不变。 关键词：g e 量子点，超快光电流谱，退相动力学，掺f e 的l n p ，超快反射谱， 扩散动力学，热弛豫过程，z n s e 纳米材料，超快吸收谱，电子空穴的交换互作 7 习 a b s t r a c t i nt h i s w o r k ，t h eu l t r a f a s td y n a m i c si ns e m i c o n d u c t o rw a ss t u d i e d u s i n g f e m t o s e c o n dl a s e r t e c h n i q u e d i f f e r e n te x p e r i m e n t a l m e t h o d sw e r eu s e dt o i n v e s t i g a t e d i f f e r e n tu l t r a f a s t p r o c e s s e s ，b y m e a n so fu l t r a f a s t p h o t o c u r r e n ts p e c t r o s c o p y ，t h e d e p h a s i n g ( n a m e l ym o m e n t u mr e l a x a t i o n ) i ng eq u a n t m nd o t sw a si n v e s t i g a t e da n d t h e o r e t i c a l l ys i m u l a t e du s i n gp u m p p r o b er e f l e c t i v i t ys p e c t r o s c o p y , t h er e f l e c t i v i t y d y n a m i c so fp h o t o e x c i t e dc a r r i e r si nf ei m p l a n t e di n pw a ss t u d i e d ，t h e nt h ep r o c e s s e s o fi t se n e r g yr e l a x a t i o na n dd i f f u s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d u s i n gu l t r a f a s tp u m p - p r o b e a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ，t h er e l a x i n gp r o c e s so fn o n e q u i l i b r i u mc a r r i e r si nz n s e n a n o c r y s t a l v a si n v e s t i g a t e d 1 t h ef e m t o s e c o n du l t r a f a s tm e a s u r e m e n t s y s t e mc o n t r o l l e db yc o m p u t e rw a s s e tu p ，a n di tc a nm e a s u r eu l t r a f a s tp h o t o c u r r e n ts p e c t r o s c o p y ，u l t r a f a s tp u m p - p r o b e a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ，u l t r a f a s tp u m p p r o b er e f l e c t i v i t ys p e c t r o s c o p ya n dt r a n s i e n t p h o t o l u m i n e s c e n c e ， 2 a sw ek n o w , t h es t u d yo ft h ed e p h a s i n gi ng eq u a n t u md o t sw a sf i r s t l y r e p o r t e du s i n gu l t r a f a s tp h o t o c u r r e n ts p e c t r o s c o p y t h eo p t i c a lb l o c he q u a t i o na b o u t t w o l e v e ls y s t e me r a d i a t e db yt h eo p t i c a lp u l s ep a i rw a sd e d u c e d ，i c a nb eu s e dt o s i m u l a t et h ed e p h a s i n gi ng eq u a n t u md o t s t h ed e p h a s i n gt i m eo ft w os u b l e v e l si n g eq u a n t u md o t si s13 0f s ，h o w e v e r , t h ed e p h a s i n gt i m eo ft r a n s i t i o nf r o mb a n dt o b a n di nb u l ks ii s7 0f s t h ed e p h a s i n gi ng eq u a n t u md o t sp o s s i b l yr e s u l t sf r o m c a r r i e r - c a r r i e r s c a t t e r i n g a n dc a r r i e r - p h o t o n s c a t t e r i n g d u e t ot h e p r o b a b i l i t yo f c a r r i e ri nz e r od i m e n s i o nb e i n gs m a l l e rt h a nt h a ti nt h r e ed i m e n s i o n ，t h ed e p h a s i n g t i m ei ng eq u a n t u md o t si sl i g h t l yl o n g e rt h a nt h a ti nb u l ks i 3 u s i n gu l t r a f a s tp u m p - p r o b er e f l e c t i v i t ys p e c t r o s c o p y ，t h er e f l e c t i v i t yd y n a m i c s o fp h o t o e x c i t e dc a r r i e r si nf ei m p l a n t e dl a pw a ss t u d i e d t h et r a n s i e n td e c a y i n g c u r v e sa r ec h a r a c t e r i z e db yi n i d a lr a p i dd e c a yi ns e v e r a lp sa n db yaf o l l o w i n gs l o w e r d e c a yw h o s et i m e i sm o r et h a ns e v e r a lt e n sp s t h ef i r s t p r o c e s sc o r r e s p o n d st o t h e r m a l i z a t i o n p r o c e s s ，a n d t h el a t t e ri sd i f f u s i o n p r o c e s s c o n s i d e r i n g s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n ，t h et h e o r e t i c a lm o d e l w a sp r o p o s e dt os i m u l a t ed i f f u s i o np r o c e s s t h e f i t t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es u r f a c er e c o m b i n a t i o no ff ei m p l a n t e di n pi sm u c h l a r g e rt h a nt h a to fu n d o p e di n p ，a n dt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to ff ei m p l a n t e di n pi s s m a l l e rt h a nt h a to fu n d o p e di n p u s i n gt h ee x c i t a t i o no f h i g h e n e r g y p h o t o n ，t h e t h e r m a l i z a t i o n p r o c e s so fp h o t o e x c i t e dc a r d e r sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e r e l a x i n gt i m ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp h o t o e x c i t e dc a r r i e rw e r ei n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no fp h o t o e x c i t e dc a r r i e r i s ，t h es h o r t e rt h et i m eo ft h e r m a l i z a t i o ni s t h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h et h e r m a l i z a t i o n p r o c e s sa n d d i f f u s i o np r o c e s sp o s s e s si na l lt h ed e c a y p r o c e s si sd e t e r m i n e db yp h o t o n e n e r g yo fe x c i t a t i o n t h eh i g h e ri st h ep h o t o ne n e r g yo fe x c i t a t i o n ，t h el a r g e ri st h e p r o p o r t i o n o ft h e r m a l i z a t i o n p r o c e s s h o w e v e r ，t h e l o w e ri s p h o t o ne n e r g yo f e x c i t a t i o n ，t h el a r g e ri st h ep r o p o r t i o no fd i f f u s i o n 4 t h eu t r a f a s ta b s o r p t i o ns p e c t r ao fz n s e n a n o c r y s t a li n d i c a t et h a tt h et i m eo f e l e c t r o n - e l e c t r o ns c a t t e r i n gi s6 6p s ( t o rt h e a v e r a g es i z eo fn a n o c r y s t n 7 5n i n ) a n d 25p s ( 4 5n m ) w i t ht h ed e c r e a s eo f n a n o c r y s t a l ，t h ep r o b a b i l i t yo f i n e l a s t i cc o l l i s i o n a m o n gc a r r i e r sa n dn a n o c r y s t a ls l l r f a c ei n c r e a s e s , w h i c hr e s u l t si nt h ei n t e n s i o no f c a r r i e r p h o t o nc o u p l i n ge n h a n c e sa n dt h et i m eo fc a r r i e r p h o t o ns c a t t e r i n gs h o r t e n s ， a c c o r d i n gt ot h et r a n s i e n tp h o t 0 1 u m i n e s c e n c es p e c t r a ，i nt h el o w e rt e m p e r a t u r er a n g e ( 1 3k t 0 0k ) ，t h et r a n s i t i o np r o b a b i l i t yb e t w e e ns i n g l e ts t a t ea n dt r i p l es t a t er a p i d l y i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t e n p e r a t u r e ，w h i c hr e s u l t si nt h er a d i a t i o nd e c a yt i m e o f t r i p l es t a t er a p i d l yi n c r e a s e s i nh i g h e rt e m p e r a t u r er a n g e ( 1 0 0k - 3 0 0 k ) ，w i t ht h e i n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e , r a d i a t i o nr e c o m b i n a t i o nf r o ms i n g e ts t a t et og r o u n ds t a t e d o m i n a t e sa n dt h en o n r a d i a t i o nr e c o m b i n a t i o nb e t w e e nt h ec o m p e t i t i v es i n g l e ts t a t e a n dt r i p l es t a t ei sr e s t r a i n e d ，a n dt h e r e f o r et h er a d i a t i o nd e c a yt i m eo fs i n g l e ts t a t e c h a n g e ss l i g h t l y ， k e yw o r d s ：g eq u a n t u md o t s ，u l t r a f a s tp h o t o c u r r e n t ，d e p h a s i n gd y n a m i c s ，f e i m p l a n t e di n e , u l t r a f a s tr e f l e c t i v i t ys p e c t r o s c o p y , d i f f u s i o nd y n a m i c s ，t h e r m a l i z a t i o n p r o c e s s ，z n s en a n o c r y s t a l s ，u l t r a f a s ta b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y , e l e c t r o n h o l e e x c h a n g ei n t e r a c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 飞秒激光与超快光学 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，它比利用电子学 方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉 冲。其次，飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比同前全世界发 电总功率还要多出百倍。再次，它能聚焦到直径为几个u m 的空间区域，使电磁 场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高。高功率飞秒激光系统由四部分 组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得 飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间卜拉开。放大器使 这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一 起，恢复到飞秒( 1 f s = 1 0 0 5 s ) 宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉 撙，。 众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地 运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一 次在原予和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞 秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特 别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、 医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和 不可替代的作用。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、 液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的 射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬x 射线飞秒激光、b 射 线激光、正负电子对。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存 和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制 造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难 性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的 压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受 控核聚变的快速点火，从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 第一章绪论 超快光学是指皮秒、飞秒光脉冲产生放大、压缩、测量、控制及其应用的一 门具有广泛应用前景的学科。飞秒技术是超快光学的核心。飞秒技术的发展直接 关系到信息科学的进步和发展。飞秒技术将为光通讯提供高重复频率的超短光 源、超快速光开关、光调制器和光控测器。飞秒激光脉冲由于它极短的脉冲宽度 和与之相伴的宽带，将为提高光学时分复用和波分复用的信道数目提供方便，从 而大大增加光纤通讯的容量。 近二十年来，人类对自然的认识不断向宏观和微观两个极端快速伸展。今天， 物理学、化学、生物学与材料科学的研究也都进入了原子、分子尺度。在这个层 次e ，几乎所有的微观现象都是超快速的，认识其中某些现象的微观过程和机理 并进而调控它们，将极大地推动科技、经济与社会的发展。例如：光合作用是地 球上规模最大的太阳能利用过程，关系到人类面临的粮食、能源、资源与环境等 问题，对其中涉及到光子、激子、电子与离子的传递与转化的复杂理化过程的了 解，将能揭示自然界这一独特的高效吸能、能量传递和转换过程的机理，解决粮、 棉、油料作物的增产问题。 飞秒激光技术的发展使我们获得了多种具有飞秒的时间分辨能力的控测技 术，例如：超快速时间分辨光谱术、超快近场扫描光学显微术、飞秒时间分辨能 力扫描隧道显微术、皮秒电光取样术等。依靠这些高时间与空间分辨率的技术可 吼超快速地从超快过程中提取信息。这使我们有可研究凝聚相体系中自由基、 激发态等短寿命瞬变物的产生、消失以及电子、原子( 或基团) 的转移、价键变 化或几何异构化、光电离、光解、能量的辐射与非辐射转移等。这些与信息的产 生、传递、储存、太阳能的转换与储存( 光合作用) 、肿瘤的形成和消失、衰老 过程、药理作用、材料的辐射损伤与改性、同位素的富集与分离以及环境污染的 治理等等均密切相关。 飞秒激光技术与飞秒光电子学的发展使半导体载流子动力学的研究进入低 维和飞秒时域。因而我们有可能获得控制辐刺场、量子态、非线性效应和弛豫过 程的能力并由此发展出超短激光脉冲光源、光调制器、光开关、光探测器等类器 件的新原理或找出大幅度改善其性能的途径，提高光通讯的速率。飞秒激光技术 与光电子技术的进步还使我们有可能研究作为信息载体的超短激光脉冲在光纤 中传输的演化情况及其与光纤参量的关系，从而利用光纤参量与结构的变化及多 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 第一章绪论 种补偿技术使光脉冲得以少损耗少畸变地长距离传输，减少通讯线路中继站。 超快光电子学的目标是发展通讯用的超短光脉冲的产生、放大、调制、开关、 复用及解复用技术。这些大多基于半导体技术，包括半导体材料中的光一电效应 和光光相互作用，特别是其中的非线性效应。 光纤通讯与光信息处理正向高速度、大容量方向快速发展。为此，人们在利 用飞秒激光与光电子技术所提供的探测技术深入研究半导体低维材料( 量子线、 量了点、纳米晶体) 中的载流子动力学，测量大规模集成电路的瞬态电压以及纳 米电子器件中的电荷、电压的瞬态现象，以便搞清限制上述器件速度提高的机制， 找出改进的途径或新器件的原理。 光开关作为光信息系统中实现大容量信息在网络光路中高速分组切换与选 择吸收的关键性器件，历来受到重视，目前重点研究多量子阱结构，也有研究有 机聚合物芯片的。作为下一代电子器件，人们已经开始基于超晶格微结构与纳米 晶体半导体的单电子器件。 总之，飞秒激光以及由此衍生出的技术所具有的超快速荻取信息的能力不仅 使人们有可能开展许多重大的基础研究而且有可能创造出具有飞秒时间分辨能 力的材料和器件，使信息传输与处理速度跃上新台阶，适应2 1 世纪高度信息化 社会对超高速度超大容量通信与超高速信息处理的需求。 1 2 研究半导体中载流子超快动力学的意义 大多数信息技术是基于小尺寸和高速微电子器件的快速响应上。在过去的二 卜几年问，通过对于发生在p s 甚至i s 时间量级上的快速微观过程的基础研究， 人们希望了解半导体器件的最小极限。一些基本的物理过程，如动量和能量弛豫、 载流子载流予散射、谷间和谷内散射、光学声子散射的机制，以及载流子扩散 等已经被广泛地研究。 在半导体微电子器件中，高速和小尺度是紧密相关的。对于一个有效长度为 几十个纳米的晶体管，它的电子渡越时间只有一个p s 甚至几百个f s 。这个事实 极大地推动人们对小尺度微电子器件的研究热情。从另一个角度来说，半导体器 件的尺度越小，它的响应时间就越快。高速器件的发展需要人们对载流子和声子 发生在超短时间尺度内的动力学过程有一个清晰的了解。例如，对于用砷化镓材 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 第一章绪论 料制备的场效应晶体管和异质结双极晶体管，电子速度的提高，受到电子在这种 材料导带内的二：个不同迁移率的能谷之间的转移率的限制。再如，在半导体中能 量弛豫率受到在乎衡过程中产生的非平衡声子的弛豫率的限制。 在目前的光纤通信系统中，由于要进行多次的光电转换，而信号调制和解调 器件的响应速度跟不上，从面信号的传输速度和通信质量受到了很大的影响，其 解决办法就是采用全光通信系统，其核心器件是全光开关。1 9 9 5 年，h e b e r l e 等 人1 1 i i 2 1 在单量了阱 一实现了载流子布居的相干控制，在实验室中演示小于 1 0 0f s 的单次开关动作，为超快光电器件和全光开关提供了一条潜在的途径，引 起了人们的广泛关注。在相干控制过程中，在退相时间内，量子态波函数的相位 与激发脉冲保持一致，因而可以通过脉冲之间的相位来控制。二者同相时，相干 叠加念粒子布居数增大；相反，反相时粒子布居数减少，由此可见相位在相干控 制过程中发挥了至关重要的作用。 近年来半导体量子点和纳米材料的研究成为凝聚态物理领域的热点之。量 子点又称为人工原子，它是数日有限的原子形成的纳米尺度的晶粒。在量子点中， 电子( 或空穴) 在空间三个方向上都受到限制，其能级结构是类原子的分立结构。 由于量子点为新一代的高性能的单电子器件、激光器和各种光电子器件带来了希 掣f 13 1 4 j ，所以对量子点中的超快动力学研究具有很重要的意义。 纳米颗粒是介于原子、分子和固体之间的一种特殊状态，由于量子限制效应 的影响，它不仅会产生分立的能级，而且纳米颗粒表面体积比的增大及大量表面 态的存在会引起载流子的弛豫过程明显加快，这对提高材料的光学响应进而制作 超快光电子器件具有重要意义。z n s e 晶体的一重要应用是作为蓝兕半导体激光 器件( l e d ) 和光发射器件( l d ) ，同时也是一种非常重要的非线性光学晶体和重要 的红外光学材料，如此广泛的用途将激励人们对z n s e 纳米材料的进行深入的研 究。 在过去的几年早，由于13 l p m 和1 5 5 r a 波长半导体激光器在光纤通信领 域得到广泛的应用，i n p 衬底的研究和规模化生产因此受到极大的推动，由于l n p 晶体具有高的电场饱和漂移速度、良好的导热性和较强的抗辐射能力，因此适合 制造高频、高速、大功率以及外层空悔j 用的微波器件和屯路f 15 1 7 7 ，所以研 究i n p 中载流子的超快动力学具有很重要的实用价值。 美旦大学应用表面物理国家重点实验室 第章绪论 早期的研究者遇到的挑战是如何获得高时间分辨率的光脉冲，越短的光脉 冲t 得到的半导体中的各种载流子动力学的时问分辨率就越好。推动人们去研制 越短的光脉冲的动力就是为了探测发生在超快的时间尺度e 的过程。早在上世纪 八十年代t 皿p s 光脉冲的研制成功使得研究发生在超短时问尺度上的超快过程 成为可能。尽管如此，但是探测超快过程仍然是一个艰巨的任务。对于传统的光 电设备，如常用的锗、硅光电探测器、光电倍增管等，它本身的响应时间( 光电 信号从1 0 卜升到最大值的9 0 所需要的时间) 最快为纳秒量级。图1 - i 给出了 我们实验室常用到的硅光电二极管的时间相应谱，它的上升的响应时间为8 5n s ， 下降响应时间或者衰减时间( 下降到最大值的1 e 所需要的时间) 为74u s 。 图1 1 硅光电二极管的时间响应谱 由于传统的光电设备的响应时间比超短脉冲本身慢几个数量级，所以发展了 一系列的用于探测超快过程的方法。这些方法为泵浦一探测技术、条纹相机、光 学k e r r 门、频率上转换门等。对于泵浦一探测技术，探测超快过程的时间分辨 率仅仅受到探测光脉冲本身的限制【18 】 复旦夫学应甩表面物理国家重点实验室 (j一堇c鼬1u一曲co口芷 第一章绪论 1 3 半导体中的超快过程 让我们来简要地回顾一下半导体在受到脉冲光照射后发生的一些莺要的超 快过程。当一个光脉冲照射到半导体上时，产生了大量的非平衡载流子，并且载 流子的温度也随之升高 1 9 】。入射到半导体上的光部分被反射、部分被吸收、 部分被透射。当光子的能量大于半导体的禁带宽度；一个电子吸收一个光子的能 量从价带跃迁到导带，同时在价带中产生个空穴，这些处于非平衡状态的光生 载流子存经历了不同的时间和空间演化过程过渡到平衡状态，图l2 和表1 1 给 m 了一些重要的演化过程及其特征时间 1 1 0 1 。 表】1j f 导体中非平衡载流于驰豫的些基本过程及其时间尺度 微观过程特征时间( s )微观过程特征时间( s ) 载流子一载流子散射1 0 。1 5 1 0 。】2载流子扩散( 0 1 “m )1 0 l l 谷内散射 1 0 。l 3 俄歇复合1 0 l o 载流子一光学声子散射 1 0 。1 2 辐射复合 1 0 4 光学声子声学声子相互作用 l o ”晶格热扩散( i u m )1 0 。8 在平衡条件下，半导体中的自由电子和空穴遵循费米一狄喇克分布，而声予 遵循玻色一爱因斯坦分布。在没有外部作用的情况下，这三个系综中的能量和动 量通过载流子一载流子和载流子一声子作用而发生相互交换，从而使这三个分布 具有一个共同的温度。在这种情况下，载流子和声子系综的平均动量为零，它们 的平均能量则相等，对应于一个共同的温度。当电磁辐射在半导体内被吸收，这 种甲衡被打破，在这种条件下，电子和空穴系综可能会处于不同的热力学状态。 然而，一旦外部扰动被去除，系综很快就回到平衡状态。通过各种不同的散射过 程，载流子把动量和能量传递给声子，载流子的动量和能量弛豫到平衡状态的值 的速率取决于散射过程的性质和散射过程的强度。 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 第一章绪论 t 。 t h t l e “h ( d ) t 。一t n k t l e = 灶h 5 ( i k 。1 ) 1 0 。”s e c m o m e n n j m r a n d o m i z a t l o n i | 1 0 。1 2s e c 0 ”s e c f e r m ；d i r a c d t s t “b u t i o n e n e r g yr e l a x a t i o n h d n o p t i c a lp h o n o n e m i s s i o n 图1 2 半导体中由于光照产生的光生载流子的能量和动量的时 间演化示意图 当光子的能量 幼比半导体的禁带宽度最大的、具有特定偏振方向的单色 脉冲激光照射半导体后，大量的电子一空穴对被产生，这些电子一空穴对相对于 剩余的能量 曲一e 。而言具有过剩的动能。在弛豫过程的初期，电子一空穴对的 能量分布在极窄的范围内，而它们的动量则分布在具有特定方向的动量空间，如 图1 2 ( a ) 所示。由于弹性或非弹性散射，它们的动量不再具有特定方向的分布， 而在几十f s 内发生了随机分布，导致平均动量为零，如图1 2 ( a ) 一1 2 ( b ) 所 7 卞。 复旦大学应用表面物理国家重点实验室 巳 。 阼 岁一 第一章绪论 在光激发以后，由于电子和空穴具有不同的有效质量，因此在弛豫过程的初 期，电子和窀穴拥有不同的动能，从而电子和空穴是具有各自特征温度的分布的 两个分 的系综。在1 0 0 f s 内，电子一电子或空穴一空穴的散射导致库仑热化， 这样由电子( 或空穴) 组成的系综可以由特征温度为疋( n ) 的费米狄喇克分 粕来表示，如图1 2 ( b ) 一1 2 ( c ) 所示。 c o n d u c f l o n 8 a n d 公 一。：z 二= 二= 辽 引 。 i 1 ；磊。 夕1 八 ih e a v y h o l e 。g “0 1 8 s p l i t - o f f | h o l ef l1 1 t l 】 1 0 0 x 图1 、3g a a s 的导带和价带的能带示意图。过程l 表示电子和空穴的光学激发； 过程2 ，3 表示电子发生在谷内的散射：过程4 ，5 ，6 表示电子发生在谷间的散射 过程7 表示空穴发生在谷内的散射。这几种类型的散射导致热载流子的弛豫。 载流子能量的弛豫可以通过发射光学声子来完成。对于空穴来说，发射的卢 子主要来自于布里渊区的中心。但是对于电子来说，发射的声子不仅仅局限在布 里渊中心，所以导带中的电子可以与波矢很大的声子发生相互作用。因此，在导 带中电子不仪可以发生谷内散射也可以发生谷问散射( 见图1 3 ) 1 1 l 1 1 2 】。 所有产生的光学声子最终都要通过在晶格非谐波协助下的多声子过程衰减为两 复旦走学应用表面物理国家重点实验室 b _ i o c u 第一章绪论 个或多个低能声子( l a + l a 或l a + l o 等) 。这种衰减时间跟晶格温度有关，一 般为几个p s 1 1 3 】。通过多体俄歇过程，电子空穴的复合时间大于1 0 0p s ，其 他的电了一空穴复合如带问的辐射复合的时间更长些，一般都大于纳秒量级。对 丁更长时问的过程( 如光生载流子在半导体中的长距离的扩散和漂移) ，我们这 罩就不在列举，因为这些过程对于我们研究的超快过程来说可以不用考虑。 由于光吸收在空间是不均匀，因此人们除了考虑光生载流子的时间演化外， 还必须考虑它的空间演化。锗半导体对可见光的吸收发生大约在离表面距离0 1 _ l m 内【l ，1 3 1 ，1 4 】，大多数光生载流子都是在半导体的这个区域内产生。由于 载流了存空间的浓度梯度不同，从而引起了载流子在空间的扩散，使系统重新回 剑、f 衡态。 当光脉冲照射到半导体后瞬间产生的大量的非平衡载流子都集中在。个小 的区域时，则会产生多体效应【1 1 5 】。当载流子的密度较低时，这种效应可以忽 - 略。这些效应包括激子屏蔽和能带重f 化 1 1 6 1 1 8 。激子屏蔽指的是载流了 浓度的增加使得共振激子吸收变宽甚至消失( 屏蔽) 。由于载流子之间的交换作 用和关联作用，高浓度的载流子也会导致能带重正化。 1 4 探测! f 导体中的超快过程的方法 为了探测半导体中发生的超快动力学过程，人们发展了一些超快探测技术。 其中最主要和最流行的几种技术为泵浦一探测技术、条纹相机、光学k e r r 门、 频率上转换门。下面对它们作一个简要的介绍。 一、泵浦一探测技术 图1 。4 给出了典型的泵浦一探测的实验方法的示意图。一束超短脉冲光被分 为两束，泵浦光和探测光，这两束光具有一个可变的光学延迟( t ) 。较强的泵 浦光去激发样品，从而引起样品的性质发生变化，而较弱的探测光用来探测这些 由于泵浦光引起的样品性质的变化。这些变化随时间的演化过程是通过改变泵浦 光和探测光之间的延迟( t ) 来实现的。因此，泵浦一探测技术可以用来研究半 导体的透射、反射、拉曼散射等的超快动力学性质。 二、条纹相机 复旦炙学应用表面物理国家重点实验室 9 第一章绪论 条纹相机是是一种把荧光中的时间信息转化为空间信息的装置。早在三十几年 年前，b r a d l e y 11 9 】a n ds c h e l e v 1 2 0 】就已经研制出这种技术。典型的条纹相机 由条纹管、快速扫描电极、输入和输出装置，如图1 5 所示。条纹相机主要是用 束测量超快荧光。出超短光脉冲诱导的、从样品发出的荧光被聚焦在条纹相机的 光阴电极上，从光阴电极上释放的光电子流量与聚焦在光阴电极上的荧光强度成 j f 比，这些电子在加速电场中被加速，然后在偏转电场中被偏离，最后入射到荧 此屏的磷光粉上。因此，在不同的时刻，从光阴电极上释放出来的光电子入射到 荧光屏上位置也不同。这样在荧光屏上就可以看到一条条轨迹或者称之为条纹， 这些条纹的空间分辨率直接对应于荧光的时间分辨率。商品化的条纹相机可以达 到的h , t f i j 分辨率为o 5p s 12 1i ，波长范围从紫外到红外。 圈1 4 典型的泵浦一探测的实验方法的示意图。一个超短脉冲激光被分成泵浦光和探测光， 这两束光具有一个可变光学延迟( t ) 。泵浦光通常是被用来激发半导体，而探测光( 通常 比泵浦光弱很多) 用来探测由泵浦光引起的样品的性质的变化，这个变化随时间的演化是通 过数变两束光之问的延迟米实现。 三、光学k e r rf - 1 光学k e r r 门是在超快测量上应用很广泛的一种器件。m a y e r 和g i r e s 1 2 2 j 首先指出，大功率的偏振光脉冲可以用来代替电脉冲在传统的k e r r 盒液体( 典 复旦走学应用表面物理国寥重点实验室 0 第一章绪论 型的为c s 2 液体) 中引起的双折射。这种光致双折射的产生是由于k e r r 盒液体 中由部分分子整齐排列所致，各向异向分子受到转矩的作用，这种转矩力图使偏 振最强轴旋转到与光电场所在的平面一致。图1 6 给光学k e r r 门的基本工作示意 图。束强的偏振光脉冲( 门脉冲) 在k e r r 媒质中引起超短寿命的双折射，信 号光束( 如荧光) 的初始偏振方向与门脉冲的偏振方向成4 5 0 角，由于有这个双 折射效应，信号光束的偏振方向被显著地旋转，这就使得信号可以透过定零位的 榆偏器。光学k e r r 门的时问分辨率取决与k e r r 溶液的分子的退极化时间，例如， c s 2 溶液的退极化时问大约为2 p s 。 图1 5 条纹相机的工作原理示意图 幽16 光学k e r r 门的_ l 作原理示意图。与激光脉冲同步的强电场引起的烈折射使得k e r r 溶 液透明，这种效应如同一个机械快门。 第一章绪论 四、频率上转换门 参变频率上转换( 和频的产生) 门已经被用来当作一种光学快门束应用 【l ，2 3 1 。图1 7 给出了参变频率上转换门的工作原理示意图。超短脉冲激光激发 样品，从样品发出的荧光被收集、校准后，然后与激发脉冲的部分( 门脉冲) 在非线性晶体( 如l i n b o ；、k d p 、b b o 等晶体) 中重合。为了使门脉冲频率与 所选择的荧光频率相匹配，晶体必须要调整到一个合适的角度。这样门脉冲与所 选择的荧光的和频信号在晶体中被产生，这个和频信号用探测器来检测。通过改 变门脉冲和和频信号之间的光学延迟，可以获得荧光随时吲的演化过程。 c r y s l a l ( l i n b q j 图1 7 参变频率上转换门的_ l = 作原理示意图 1 5 本文的章节安排 本文着重选择了发生在半导体中具有代表性的、而且对理解超快半导体器件 具有重要意义的几个超快过程进行了研究。按照时间尺度由4 , n 大可以分为这么 儿个过程，即从完全相干态弛豫到完全不相干态的退相过程，时间尺度为几千f s 至数百f s ；光生载流予的热弛豫过程，时间尺度为数百f s 至几个p s ；光生载流 子在半导体中的扩散( 小于01 m ) 过程，时间尺度为几十个p s ：光生载流子辐 射复合过程，时间尺度大于纳秒量级。 我们分别用超快光电流谱、泵浦一探测超快反射谱和泵浦探测超快吸收谱 复旦走学应用表面物理国莩重点实验室 1 2 第一章绪论 来研究目前比较热门的三种材料( g e 量子点、掺f e 的i n p 和z n s e 纳米材料) 的上述提到的超快过程。本文的具体安排如下： 存第一章的绪论中，首先概述