（光学专业论文）zncdseznse量子阱二阶非线性光学特性的研究.pdf

z n c d s e z a s e 量子阱二阶非线性光学特性的研究摘要 ，论文题目：z n c d s e z n s e 量子阱二阶皇e 线性光学特性的研究 v 7 p 五1 6 主5 5 镰 一光抖堂皇工程系 光堂专业 厂，2 q 姒届硕士研究生姜丞强指导教师盆建垡副教授 陆送淫教授 f ；t j ， 鼍! 、 一 ， f ， # ， ， 摘要 用光子代替电子实现信息的获得、存储、传输和处理，将是人类科技史上 的一次重大革命，也将是二十一世纪信息化社会的主要标志之一。研制和发展 具有实用价值的光子器件是高度信息化社会发展和未来“信息高速公路”建设 的迫切需要。半导体超晶格量子阱材料的量子局域效应，使其具有与体材料明 显不同的光学与非线性光学特性，特别是对于非对称量子阱材料( 如阶梯阱或耦 合阱) 而言，由于打破了原有的对称性，因而显示出了非常大的二阶非线性光学 特性。所以。在发展超快响应、低功率密度( 或大的非线性系数) 的光子器件( 如： 超薄微型倍频器、混频器、光调制器、光开关等) 方面有着广泛的应用背景。进 一步研究和探索1 1 - - v i 族半导体量子阱超晶格的非线性光学性质及其产生机 、 理，无疑具有十分重要的理论和实际意义习本论文工作针对分子束外延生长的 z n x c 也s e z n s e 非对称耦合量子阱结构，研究了其中的二阶非线性特性和声子 振动性质及其产生机理。主要结果如下： 1 采用荧光光谱技术研究了z n 。o c d 。3 0 s e z n s e 量子阱和体材料z n s e 的光谱 特性。此较两种样品的荧光光谱，可以明显看出量子阱的荧光峰，这表明 、 、 量子阱样品质量较好n 2 利用喇曼散射的方法研究了三种非对称耦合量子阱z n 。c d 。s e z n s e 的声子 振动特性。续验中观察到了分别对应于与z n c d s e 窄阱和宽阱的一级限制 光学模l o l ( l o ww e l l ) 和l o l ( w i d ew e l l ) ，及对应于z n s e g a a s 界面的声子 和等离予体的耦合模，并对它们进行了简要的讨论和分析。 z n c d s c z n s c 量子阱二阶非线性光学特性的研究摘要 3 采用二次谐波产生技术研究了非对称i i 一族耦合量子阱z n 。一c d s e z n s e 的 二阶非线性光学特性实验表明量子阱的共振增强效应使其s h g 强度比z n s e 体材料大一个数量级以上。二次谐波强度在入射光和反射光均为p 偏振( p i n p o u t ) ，入射光和反射光分别为s 偏振和p 偏振( s i n p o u t ) 两种状态 下随旋转方位角的变化而周期性变化，说明非对称i i 一族量子阱具有明显 、 的光学各向异性。4 4 研究了量子阱参数与非线性光学特性的关系。溪验发现二次谐波强度随着 阱间耦合的增强而增强；在入射光和反射光均为p 偏振( p i n p o u t ) ，以 及入射光和反射光分别为s 偏振和p 偏振( s i n p - o u t ) 时，二次谐波强度 随着c d 含量x 的增大而减小：二次谐波强度随入射光偏振角的变化周期性 变化。并用理论公式对实验数据进行了拟合，实验结果与理论计算符合的 、 很好、l 关键词：z n c d s e 合金，z n c d s e z n s e 量子阱，二阶光学非线性，喇曼散射 分类号：0 4 3 7 z n c d s d z n s e 量子阱二阶菲线性光学特性的研究a b s 乜a c t s e c o n dn o n l i n e a r o p t i c a lp r o p e r t i e so f z n c d s e z n s eq u a n t u mw e l l s a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fp h o t o n si np l a c eo fe l e c t r o n si nc o l l e c t i o n , s t o r a g e ，t r a n s m i s s i o n a n d p r o c e s s i n g o fi n f o r m a t i o nw i l lb ea m a j o r r e v o l u t i o ni nt h e h i s t o r y o f d e v e l o p m e n ti ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o v e rt h ep a s td e c a d et h e r eh a sb e e na g r o w i n gi n t e r e s ti nt h en o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e so fw i d e b a n d - g a pz n s e - b a s e di i - v is e m i c o n d u c t o rq u a n t u mw e l l s ( q w s ) b e c a m eo ft h e i r a p p l i c a t i o n s f o rl a s e r d i o d e sa n do t h e rp h o t o n l cd e v i c e so p e r a t i n gi nt h eb l u e - g r e e nr e g i o no ft h ev i s i b l e s p e c t r u m t h ep r e v i o u s t h e o r e t i c a lc a l e u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t a l w o r kh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h en o n l i n e a ro p t i c a l c o e 街c i e n t s ，p a r t i c u l a r l yt h e s e c o n d o r d e r s u s e e p t i b i l i t y , a r em a n y t i m e sl a r g e rt h a nt h o s ef o rb u l km a t e r i a l sw h e n a s y m m e t r y i s i n t r o d u c e db yae o m p o s i t i o n a l l yg r a d e db a n dg a po rc o u p l e dw e l l s h o w e v e r , l i r l e e f f o r th a sb e e nm a d et os t u d yt h ed e p e n d e n c eo f n o n l i n e a r o p t i c a lp r o p e r t i e sa n dq w p a r a m e t e r sf o rz n s e - b a s e d m a t e r i a l s s t u d i e so f t h er e l a t i o nb e t w e e nn o n l i n e a ro p t i c a l p r o p e r t i e sa n dq wp a r a m e t e r ss u c ha st h ed e g r e eo fa s y m m e t r y , i n t e r w e l lc o u p l i n g ， a n d i n - p l a n ea n i s o t r o p y c a nh e l pu si nt h e d e s i g n o fd e s i r e dn o n l i n e a r o p t i c a l c o m p o n e n t s s e c o n d h a r m o n i cg e n e r a t i o n ( s h g ) ，b e i n ge x t r e m e l ys e n s i t i v et o t h e s y m m e t r y o fm a t e r i a l s i sw i d e l yu s e dt os t u d yt h es e c o n d - o r d e r p r o p e r t i e so f s u r f a c e a n d i n t e r f a c e s ( s u c h a sq u a n t u mw e l l 曲a san o n d e s t r u c t i v ea n dn o n c o n t a c t p r o b e t h e m a i nr e s u l t sa r ep r e s e n t e da st h ef o l l o w i n g ： 1 n ef l u o r e s c e n c es p e c t r ao fz n o 7 0 c d 0 3 0 s e z n s eq w sa n dz n s eb u l km a t e r i a l s w e r em e a s u r e d f r o mc o m p a r i n gt w os p e c t r a ，t h ef l u o r e s c e n c e p e a ko fq w s a m p l e c a n o b v i o u s l yb ef o u n d ，w h i c hs h o w sg o o dq u a l i t yo f q ws a m p l e s 2 t h ev i b r a t i o n a l p r o p e r t i e s o fz n c d s e z n s eq w sa r es t u d i e d u s i n gr a m a n s c a t t e r i n gm e t h o d l o i ( l o ww e l l ) ，l o l ( w i d ew e l l ) ，a n dl o ( z n s e g a a s ) a r e o b s e r v e df r o mr a m a n s p e t r a 3 n en o n l i n e a r o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c si n a s y m m e t r i cc o u p l e dz n i 。c d x s e z n s e q u a n t u mw e l l sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt h er e f l e c t i v es e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e n es h gs i g n a lf r o mt h es a m p l ew a s a b o u tt e n - f o l db i g g e rt h a nt h a tf r o mt h ez n s es u b s t r a t e 1 1 圮p h o t o l u m i n e s c e n c e s p e c t r ao fz l l 0 瑚c d o3 0 s eq u a n t u mw e l l sa n dz n s es u b s t r a t ew e r ea l s om e a s u r e d t h ed e p e n d e n c eo ft h es h g i n t e n s i t y ( p - i n p o u t p - i n ，s o u oi nt h ea s y m m e t r i c c o u p l e dq u a n t u mw e l l s o i lt h ea z i m u t h a la n g l ew e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y , w h i c h d e m o n s t r a t e dt h eo b v i o u sn o n l i n e a r o p t i c a la n i s o t r o p y 4 s h g i n t e n s i t yi ns t r a i n e dz n i - x c d o s e z n s ea s y m m e t r i cc o u p l e dq u a n t u mw e l l si s a tl e a s to n eo r d e ro fm a g n i t u d el a r g e rt h a nt h a tf o r mb u l kz n s ed u et ot h e e e n t r o s y m m e t r y - b r e a k i n ge f f e c tr e s u l t i n g f r o mt h e s t r o n g i n t e r w e l l c o u p l i n g i n t e a c t i q n i ti sa i s q5 l t q n g l ￥d p e n d n tq nt b q 剿p a a m c 土o r s 。s h 【ii n i n s i l ￥ z n c d s e z n s e 量子阱二阶非线性光学特性的研究a b s t r a c t w a sf o u n dt oi n c r e a s ew i t hd e c r e a s i n gb a r r i e rw i d t ho rc a d m i u mc o n c e n t r a t i o nx ( b a r r i e rh e i g h t ，w e l ld e p t h ) f u r t h e r m o r e ，a no b v i o u si n - p l a n ea n i s o t r o p yw a s o b s e r v e dw i map e r i o do f1 8 0 。i no u rm e a s u r e dr a t i o so f pi nt opo u ta n dsi nt op o u ts h gi n t e n s i t i e s n l eso u ts h o i n t e n s i t yv e r s u st h ei n c i d e n tp o l a r i z a t i o n a n g l ed i s p l a y e dap e r i o d i cf e a t u r e ，l p ) o c i s i n ( 2 a p ) l 2 ，w h i l et h epo u ts h g i n t e n s i t y v a r i e si na r e l a t i v e l yc o m p l e xw a y , w h i c ha g r e e d w e l lw i t ht h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s k e y w o r d s ：z n c d s ea l l o y , z n c d s e z n s eq u a n t u mw e l l s ，s e c o n dn o n l i n e a ro p t i c a l p r o p e r t i e s ，r a m a ns c a t t e r i n g z n c d s e z n s e 量子阱二阶非线性光学特质的研究 绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 9 6 9 年t 美国i b m 公司的江崎玲于奈和朱兆祥提出由两种不同的半导体交 替生长超薄层来构成一维周期性结构“3 ，于是开始了对人工半导体量子阱超晶 格的研究。研制和发展具有实用价值的光子器件是二十一世纪高度信息化社会 发展和未来“信息高速公路”建设的迫切需要。非线性光学主要研究电磁场与 各种介质相互作用后产生新的电磁场，这些作用使其频率、相位、振幅等光学 性质都发生了变化，表1 1 1 列出了各种光学效应及其应用。半导体超晶格量子 阱材料的量子局域效应，使其具有与体材料明显不同的光学与非线性光学特性， 特别是对于非对称量子阱材料( 如阶梯阱或耦合阱) 而言，由于打破了原有的对 称性，因而显示出了非常大的二阶非线性光学特性。所以，在发展超快响应、 低功率密度( 或大的非线性系数) 的光子器件( 如：超薄微型倍频器、混频器、光 调制器、光开关等) 方面有着广泛的应用背景。 表1 1 1 非线性光学效应及其应用 第1 页 件 z n c d s e z n s e 量子阱二阶非线性光学特质的研究 绪论 国际上对非对称量子阱材料研究较多的是g a a i a s g a a s 等i i i v 族材料( 即 g a n 及相关材料) 。在远红外波段，由于导带子带内的双共振增强效应，其二阶 非线性系数将比体材料大1 3 个数量级”。；但在近红外可见光波段，由于价 带与导带之间的跃迁远离双共振条件，虽然可以采用准相位匹配等技术来进行 补偿，但其二阶非线性系数仍小于体材料”。同时，在多数应用中由于有高的 背景吸收，量子阱材料中激子引起的非线性效应增强难以充分利用等等，因此 在可见光波段将受到一定的限i t i 4 。 理论分析和实验研究表明睁”，宽禁带1 i 一族量子阱材料中的激子由于 具有l ：k l i i v 族更大的束缚能和更小的玻尔半径，相对更加稳定，特别是轻、 重空穴激子的共振增强效应，使得在没有准相位匹配的情况下，能获得比i n v 族更大的二阶非线性系数，有可能在可见光波段具备更大的应用前景，因而日 益受到人们的广泛重视。 l i v 1 族半导体化合物从广义角度讲。其+ 2 价元素除主族i ia 元素外还包 括许多具有+ 2 价态的副族元素，如z n 、c d 、h g 等。i i v i 族半导体化合物种 类丰富，具有直接带隙且变化范围较广，禁带宽度的范围可以从o 0 2 e v 一直到 4 5 e v ，对应的光谱范围为从红外到紫外。因此这些材料在光电子器件的研究中 具有广阔的应用前景i “1 i 。近年来，由于i i i v 族( 即g a n 及其相关材料) 发光 器件研究的进展，i i - 族的研究受到很大的挑战，但两者各有特点，g a n 基激 光器件的应用在蓝和紫波段( 3 8 0 4 2 0 n m ) ，而在蓝绿波段( 4 6 0 5 5 0 n m ) ，目 前尚无其它材料能替代i i v i 族化合物。除了蓝绿发光器件外，i i v i 族化合物 的应用还包括红外探测器件、y 射线探测器等领域，以及异质结构中激子的非 线性光学效应在光电子领域的重要应用。因此，一v i 族的研究一直受到人们 的广泛关注。 窄禁带的l i - - v i 族材料( h g c d t e 等) 早已在红外探测器方面有了广泛的 应用。宽禁带i i v i 族材料的研究历史可以一直追溯到本世纪的早期，典型的 第2 页 z n c d s a z n s e 量子阱二阶非线性光学特质的研究绪论 是z n o 点接触型二级管。到六十年代，范围扩大到z n s e 、z n t e 、z n s 、c d s 、 c d t e 及其三元合金的光学性质，人们也自然地试图将这些材料用于光发射器件 中，但由于材料生长质量不理想而进展不大。到了八十年代，分子束外延和其 他外延技术的出现，使人们生长了高质量的以z n s e 为基的合金和异质结构， 但z n s e 的p 型掺杂以及寻找合适的异质结作为激活层等一系列问题尚未解决， 因此在蓝绿发光器件的研制中一直难以取得突破性的进展。但在蓝绿激光器的 研制中，以z n s e 为基的材料仍然具有很大的潜力。特别是九十年代，以氮为 掺杂源成功地实验了z n s e 的p 型掺杂 9 】，在以z n c d s e z n s e 为激活层的量子阱 中也第一次观察到受激发射过程”“，这些突破很快导致了第一个以z n s e 为基 的激光二极管的出现阻】。1 9 9 1 年，美国3 m 公司研制成功世界上第一只7 7 k 脉 冲工作的z n c d s e z n s e 量子阱蓝绿激光二极管( l d ) i s 。日本s o n y 公司在此基 础上提出了一种新型四元合金z n 。m g 。一。s ，s e 。一，“，以改善晶格匹配、载流子限制 和光限制，并实现了室温激射。目前，在波长为5 0 0 5 3 0 n m 的条件下，z n s e 基蓝绿激光器的寿命已超过1 0 0 小时，高功率输出可达8 7 m w ，工作温度可达 8 0 ，工作电压为4 2 v 1 “，这类激光在光数据存储方面有很好的应用前景。基 于紫外光波段的z n 0 量子点也做出了光泵激射 i “。大多数六、七十年代已开始 研究的i i - - v i 族材料，其某些方面的独特性质直到最近才被一点一点地揭开。 也有制约i i - - v i 族激光器件工作寿命的因素，主要是缺陷。另外热老化性 能不佳、i i i - - v i 族衬底与i i v i 族外延层的界面问题，也是器件应用的最大 障碍。要解决这一问题，需要对材料的基本物理性质包括材料在强光作用下的 结构稳定性作更为深入的研究。 对于i i v i 族半导体量子阱超晶格的非线性效应、声子振动、激子的性质 及动力学过程等，已经有大量的研究。v p e l l e t r i n i 等人运用光致发射谱和 二次谐波产生方法对z n c d s e z n s e 的二阶非线性光学特性、激子的性质进行了 研究。 1 s - m n t o m a s s i n i 等对z n ( s ，s e ) 基量子阱超晶格的线性和非线性光学 性质进行了研究。2 1 1 有关非对称量子阱光学性质的理论分析也有一些研究。啪一 “d j o l e g o 等人用喇曼散射方法研究了z n s e z n s s e 量子阱的光学振动模。 第3 页 z n c d s d z n s e 量予阱二阶非线性光学特质的研究 绪论 ”“f b e c h s t e d t 用从理论上计算和分析了多量子阱的共振喇曼散射。 2 s 1 有关 i i - - v i 族量子阱的喇曼散射还有许多其它的研究工作。o ”3 3 1 1 2 本论文的工作 在本论文中，针对z n c d s e z n s e 非对称耦合量子阱结构，研究了其中的二 阶非线性光学性质。论文的安排如下： - 第一章是绪论。 o 第二章介绍了z n c d s e z n s e 量子阱的基本性质及非线性光学基础。内容包 括z n s e 、合金z n c d s e 以及z n c d s e 应变层量子阱的基本性质，z n c d s e z n s e 量 子阱的分子束外延生长，及二阶光学非线性基础知识。 第三章讨论了z n c d s d z n s e 量子阱的光谱结构表征。内容包括非对称量子 阱z n c d s e z n s e 的荧光光谱、喇曼散射谱，还介绍了喇曼散射的原理及实验几 何装置。通过对实验结果所作出的分析，讨论了喇曼散射峰的起源。 第四章详细讨论了z n c d s e z n s e 耦合量子阱的二次谐波产生，也是本论文 的主要工作。内容包括z n 。c ds e z n s e 耦合量子阱二阶非线性理论分析，s h g 测量实验装置，z n 。c d 。s e z n s e 耦合量子阱的s h g 与量子阱参数关系，如阱间 耦合( 垒宽) 、组分( 垒高) 、偏振角、方位角。 最后第五章将对整个论文的工作进行总结，并提出下一步可以继续进行的 一些可能的研究方向。 第4 页 兰坠些型垒璺塑坠型坠型生坚墨笪堂兰笪璺塑堑窒 堕堡 参考文献 1 】il e s a k i ，r t s u ，i b mr e s o l l u t i o nn o t e ，r c 2 4 1 8 ( 1 9 6 9 ) 2 1s j b y o o ，m m f e u e r ，r l b y e la n d j s h a r r i s ，a p p l p h y s l e t t 5 8 。17 2 4 ( 1 9 9 1 ) 3 】c s i n o n ，ec a p a s s o ，d l s i v c o ，s n g c h u ，a n da y c h o ，a p p l p h y s l e t t 5 9 ，2 3 0 2 ( 1 9 9 1 ) 4 】e r o s e n c h e r , p b o i s ，j n a g l ea n dj d e l a i t r e ，e l e c t r o n l e t t ，2 5 ( 1 6 ) , 1 0 6 3 1 0 6 5 ( 1 9 8 9 ) 5 】x q u ，h r u d a ，s j a n za n d a t h o r p e ，a p p l p h y s l e t t ，6 5 ( 2 5 ) ，3 17 6 ( 1 9 9 4 ) 6 】vp e l l e g r i n i ，a p a r l a n g e l i ，m b o r g e r ，r a t a n a s o va n deb e l t r a m ，p h v s r e v b ，5 2 ( 8 ) ，5 5 2 7 ( 19 9 5 ) 7 1n t o m a s s i n i ，a d a n d r e a ，g ，m a r t i n o ，r g i r l a n d aa n dr a t a n a s o v , p h y s r e v b ，5 2 ( 1 5 ) ，1 1 1 1 3 ( 1 9 9 5 ) f 8 】m a h a s e ，j q i u ，j m d e p u y d t ，a n dh c h e n ，a p p l p h y s l e t t 5 9 1 2 7 2 ( 1 9 9 1 ) 9 1g f n e u m a r k ，r m p a r k ，a n dj m d e p u y d t ，p h y s t o g e h t e r , j u n e ，4 7 ( 6 ) ，2 6 ( 1 9 9 4 ) 1 0 r l g u n s h o ra n da vn u r m i k k o ，m a t e r r e s b u l l 1 0 ，1 5 ( 1 9 9 5 ) 1l l a d n a r d i s ，vp e l l e g r i n i ，r c o l o m b e l l i ，eb e l t r a m ，l v a n z e t t i ，a f r a n c i o s i 。 i n k r i v o r o t o va n d k k b a n ，p h y s r e v b ，6 1 ，17 0 0 ( 2 0 0 0 ) 【1 2 h j e o n ，j d i n g ，a n u r m i k k oe ta 1 ，a p p l p h y s l e t t ，5 7 ( 2 3 ) ，2 4 1 3 ( 1 9 9 0 ) 1 3 h o k u y a m a ，k n a k a n o ，t m i y a j i m a ，a n dk a k i r n o t o ，j a p j a p p l p h y s ， 3 0 ( 9 8 ) ，l 1 6 2 0 ( 1 9 9 1 ) 1 4 s o n yc o r p o r a t i o n , c o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r , 2 ( 2 ) ，7 ( 1 9 9 6 ) 【1 5 】y up ，t a n gz k ，w o n gg k ，e ta 1 ，【c o n f e r e n c e p a p e r 2 3 “i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nt h ep h y s i c so f s e m i c o n d u c t o r s ，w o r l ds c i e n t i f i c ，p a r tv 0 1 2 ，1 4 5 3 6 ，s i n g a p o r e ( 1 9 9 6 ) 第5 页 z n c d s c ，z n s e 量子阱二阶非线性光学特质的研究 绪论 1 6 l a f a r r o w , c j s a n d r o f f , a n dm c t a m a r g o ，a p p l p h y s l e t t ，5 1 ( 1 8 ) ，1 9 3 1 ( 1 9 8 7 ) 【1 7 n b e s s o l o v , m vl e b e d e v , a n dd r z a h n ，j a p p l p h y s ，8 2 ( 5 ) ，2 6 4 0 ( 1 9 9 7 ) 1 8 v p e l l e g r i n i ，a p a r l a n g e l i ，m b o r g e r , r d a t a n a s o v , f b e l t r a m ，l v a n z e t t i a n d a f r a n c i o s i ，p h y s r e v b ，5 2 ( 8 ) ，5 2 2 7 ( 19 9 5 ) 【19 v p e l l e g r i n i ，a p a r l a n g e l i ，m b o r g e r , f b e l t r a m ，l v a n z e t t i ，a n da f r a n c i o s i j o f c r y s t a lg r o w t h ，1 5 9 ，8 0 9 ( 1 9 9 6 ) 【2 0 v p e l l e g r i n i ，a t r e d i e u c c i ，eb e l t r a r n ，lv a n z e t t i ，m l a z z a r i n o ，a n da f r a n c i o s i ，j a p p l p h y s ，7 9 ( 2 ) ，9 2 9 ( 1 9 9 6 ) 2 1 n t o m a s s i n i ，a d a n d r e a ，g m a r t i n o ，r g i r l a n d a ，a n dr a t a n a s o v ， p h y s r e v b ，5 2 ( 1 5 ) ，1 1 1 1 3 ( 1 9 9 5 ) 【2 2 】r a t a n a s o v ，f b a s s a n i ，a n dv m a g r a n o v i c h ，p h y s r e v b ，5 0 ( 1 1 ) ， 7 8 0 9 ( 1 9 9 4 ) 【2 3 j k h u r g i n ，a p p l p h y s l e t t ，5 1 ( 2 5 ) ，2 1 0 0 ( 1 9 8 7 ) 【2 4 1 p j h a r s h m a n ，a n ds w a n g ，a p p l p h y s l e t t ，6 0 ( 11 ) ，1 2 7 7 ( 1 9 9 2 ) 【2 5 l t s a n g ，s l c h u a n g ，a n ds m l e e ，p h y s r e v b ，4 1 ( 9 ) ，5 9 4 2 ( 1 9 9 0 ) 【2 6 j k h u r g i n ，p h y s r e v b ，3 8 ( 6 ) ，4 0 5 6 ( 1 9 8 8 ) 【2 7 d j o l e g o ，k s h a h z a d ，d a c a m m a c k ，a n dh c o m e l i s s e n ，p h y s r e v b ， 3 8 ( 8 ) ，5 5 5 4 ( 19 8 8 ) 【2 8 1 f b e c h s t e d ta n dh g e r e c k e ，a n dj k r a u s ，p h y s r e v b ，4 5 ( 4 ) ，1 6 7 2 ( 1 9 9 2 ) 【2 9 r g a l o n s o ，e k s u h ，a n da k r a m d a s ，n s a m a r t h ，h l u o ，a n dj k f u r d y n a , p h y s r e v b ，4 0 ( 6 ) ，3 7 2 0 ( 1 9 8 9 ) 【3 0 1 v , s p a g n o l o ，g s c a m a r c i a ，c c o r v a s c e ，m l u g a r a ，a n di s u e m u n e ， s u p c r l a t t i c e sa n dm i c m s t r u c t m e s ，1 6 ( i ) ，4 7 ( 1 9 9 4 ) 3 1 1 h a h a s s a n , j j e n , a n dyo k a , j p n j a p p l p l a y s ，3 3 。l 6 0 4 ( 1 9 9 4 ) 【3 2 a j s e m j o n o w , u w p o h l ，a n dr e n g e l h a r d t ，j p h y s ：c o n d e n s m a t t e r , 1 1 ， 1 7 3 5 ( 1 9 9 9 ) 【3 3 】s l z h a n g ，y t h o u ，k s h o ，z l p e n g ，j l i ，a n ds x y u a n ，p h y s l e t t a ， 1 8 6 ，4 3 3 ( 1 9 9 4 ) 第6 页 z n c d s a z n s c 量子阱二阶非线性光学特质的研究 z n c d s a z n s c 量子阱的基本性质及非线性光学基础 第二章z n c d s e z n s e 量子阱的基本性质及非线性光学基础 2 1z n s e 和z n c d s e 的基本性质 z n s e 是一种典型的i i v i 族宽禁带半导体，其体材料是闪锌矿 ( z i n c b l e n d e ) 结构，在室温下( 3 0 0 k ) ，晶格常数为0 5 6 6 7 6 n m ，禁带宽度为 2 7 0 e v ，对应于蓝色波段的光子能量。与z n s e 不同，在自然条件下，c d s e 体 材料通常呈现纤锌矿结构。但可以用分子束外延方法在闪锌矿衬底上得到闪锌 矿结构c d s e 薄膜。 由于z n s e 是闪锌矿结构，而c d s e 的稳定结构是纤锌矿( w u r t z i t e ) 结构， 因此，当c d 的组分增加时，三元合金z n 。c d ，s e 会发生结构相变。实验表明当 x o 5 时，z n h c d ，s e 以纤锌矿形式 存在：当0 3 x 旦 划 器 塾 章 图2 1 2 z n l - x c d x s e 的禁带宽度随x 的变化关系( t = 4 k ) a 第1 i 页 z n c d s e z n s e 量子阱二阶非线性光学特质的研究z n c d s “z n s c 量子阱的基本性质及非线性光学基础 2 2z n c d s e 应变层量子阱 这里先介绍几个常用名词。异质结( h e t e r o j u n c t i o n ) 的两种材料有不同的能带 带隙( e n e r g yg a p ) 。在异质结界面两种材料的价带的排列是不连续的，它们在 能量上的差别称为价带带阶( v a l e n c eb a n do f f s e t ) 或价带的不连续性( v a l e n c eb a n d d i s c o n t i n u i t y ) 。对于导带也有同样的关系。连续的两个异质结，如z n s e z n 。c 止s e z n s e 双异质结，将构成一个势阱，如势阱的宽度小于电子的平均自由 程，就形成单量子阱s q w ( s i n g l eq u a n t u mw e l l ) 。周期性重复生长z n s e 层和 z n l _ x c d 。s e 层，就得到多量子阱m q w ( m u l t i p l eq u a n t u mw e l l s ) 结构。如果构成 多量子阱结构的势垒层( z n s e 层) 厚度比较小时，电子或空穴的波函数不再受 限于量子阱层中，量子阱与量子阱之间的电子态相互耦合，这种结构就是超晶 格( s u p e r l a t t i c e s ) 。 带边偏移( b a n do f f s e t ) 是异质结界面的一个主要参数。两种不同半导体材料 的带边在异质结界面附近是突变的，变化范围在几个原子层的尺度范围内，形 成所谓的带结。已知的异质结界面可分为四种类型，i 型，i i 型错开，i i 型倒 转和i i i 型，如图2 2 1 所示。由于异质结形成时，在界面上发生电荷转移以及形 成界面缺陷等复杂因素，至今带阶仍是一个实验和理论上较难准确确定的量。 ( a ) 图2 2 1 四种不同类型的的异质结结构。 ( a ) i 型( b ) i i 型- 错开( c ) i i 型一倒转( d ) i l l 型 第1 2 页 ( d ) 兰坚望型垒受生! 三壁三堕斐丝丝堂壁堕塑堑塞 垒型! ! 墅! ! 兰王堂塑苎查丝堕丝! ! 竺丝堂堂苎曼| ! 实验表明z n - 一，c d 。s e z n s e 异质结属于1 型结构，带边偏移主要在导带【7 i 。 在量子阱中，由于量子限制效应，使得半导体的能带分裂为一系列的子能带， 在有效质量近似下，可以计算得到子能级的位置及包络函数。 第1 3 页 z n c d s d z n s c 量子阱二阶非线性光学特质的研究 z n c d s “z n s c 量子阱的基本性质及非线性光学基础 2 3z n c d s e z n s e 量子阱的分子柬外延生长 分子束外延( m b e ) 是在超高真空环境下的一种薄膜淀积技术。自从a r t h u r , l c p o r c t 9 和卓以和0 1 用m b e 的方法生长出优质的g a a s 和其它i i i v 族化合物 薄膜以来，m b e 技术得到了广泛的应用。与其它的材料生长技术相比m b e 有 一些突出的优点：( 1 ) 由于是在超高真空环境下，因此可以利用许多测量技术对 薄膜的生长作原位的检测，如反射高能电子衍射( r h e e d ) ，俄歇电子能谱( a e s ) 二次离子质谱( s i m s ) 和x 射线光电子能谱( x p s ) 等。( 2 ) 超高真空环境使得所生 长的薄膜具有很好的单晶质量。( 3 ) 可以通过控制束流来调节生长速率，从而生 长出超薄薄膜。( 4 ) 在较低的生长温度下，可以避免异质结界面处的互扩散，从 而在界面处能够形成突变的超精细结构。 在i i v i 族外延薄膜的生长过程中，既可以采用化合物作为生长源，也可 以采用固体单质来作为生长源。在采用固体单质源的情况下，单质源首先通过 下面的反应升华1 1 1 】： m ( s ) m ( 曲 x ( s ) ，a l x l ( d + a t x 2 ( 酌+ + a i l x 。( g ) 上面两式中，m 代表i i 族单质源( 例如z n ) ，x 代表v i 族单质源( 例如s e ) 。s 代 表固态，g 代表气态。以z n s e 为例，固态z n 源升华为气态的单原子，固态s e 源升华为一系列