（微电子学与固体电子学专业论文）半导体低微结构的光学性质研究.pdf

1， 原创性声明 黼 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：麴皇童 日期：型里! 堕兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文仟者签名：j 囟盟导师签名：恤日 期：2 翌! 里! ! 二兰 、j 7 芝 2 1 样品生长制备7 2 1 1 分子束外延( m b e ) 技术7 2 1 2 本文研究所用样品的生长与结构特征1 0 2 2 研究样品实验数据的测量1 2 2 2 1r e n i s h a wr a m a n 影像显微光谱仪1 2 2 2 2n i c o l e tf o u r i e r 变换红外光谱仪1 3 第三章限制在量子阱中受主的能级分布1 4 第四章b e 受主d e l t a 掺杂g a a s a 1 a s 多量子阱光谱分析1 7 4 1p l 谱1 7 4 1 1p l 简介1 7 4 1 2p l 谱分析1 8 4 1 3p l 谱小结2 7 4 2 共振r a m a n 散射谱2 7 2 7 2 8 3 5 3 6 3 6 3 6 彳 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) - - i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) - i i i s y m b o ld e s c r i p t i o n v c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 。1 1 1 t o p i c so fm o t i v a t i o n 1 1 1 1b a c k g r o u n da n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 。1 1 1 2i n t e m a t i o n a lr e s e a r c h 1 1 1 3 e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la d v a n t a g e s 2 1 1 4t h ep r o b l e m sa n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st o p i c 3 1 2t h ep o t e n t i a ls i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c 4 1 2 。lt h z 4 1 2 2a p p l i c a t i o no ft h z - 5 c h a p t e r2 i n t r o d u c t i o no fs a m p l ep r e p a r a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t 7 2 1g r o w t ha n dp r e p a r a t i o no ft h es a m p l e s 7 2 1 1m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) t e c h n o l o g y , 7 2 1 2g r o w t ha n ds t r u c t m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l e s 1 0 2 2e x p e r i m e n t a ld a t am e a s u r e m e n to fs a m p l e s 。1 2 2 2 1r e n i s h a wr a m a nm i c r o i m a g i n gs p e c t r o m e t e r 1 2 2 2 2n i c o l e tf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t e r 。1 3 c h a p t e r3e n e r g yl e v e l s d i s t r i b u t i o no fa c c e p t o rc o n f i n e di nq u a n t u mw e l l s 。1 4 c h a p t e r4t h ea n a l y s i so fb ea c c e p t o r5 - d o p e dg a a s a l a sm u l t i p l eq u a n t u mw e l l s s p e c t r o s c o p y 。1 7 4 1p ls p e c t r a 1 7 4 1 1p lp r o f i l e 1 7 4 1 2p ls p c c t n t ma n a l y s i s 1 8 山东大学硕士学位论文 4 1 3s u m m a r yo fp ls p e c t r a 。2 7 4 2r e s o n a n c er a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y 2 7 4 2 1i n t r o d u c t i o no fr a m a ns c a t t e r i n g 2 7 4 2 2r e s o n a n c er a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r u ma n a l y s i s 2 8 4 2 3s u m m a r yo fr e s o n a n c er a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y 3 5 4 3f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y 。3 5 4 3 1f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da b s o r p t i o np r o f i l e 。3 5 4 3 2f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r ya n a l y s i s 3 6 4 3 3s u m m a r yo ff o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r a 3 9 c h a p t e r5t h e r e s u l t ss u m m a r ya n d p r o s p e c t 。4 0 5 1t h es u m m a r yo fe x p e r i m e n t 4 0 5 2p r o s p e c t s 4 2 j ， r e f e r e n c e s 4 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 4 8 p u b l i c a t i o nl i s ta n df u n d 4 9 乒 山东大学硕士学位论文 摘要 太赫兹波在电磁波谱中位置特殊并且有许多优点和潜在的利用价值，因此处于远 红外波段的太赫兹发光器或激光器的理论和实验研究理所当然经成为当今世界研究 的热点。一直以来，由于半导体量子点所展示的物理现象在太赫兹方向具有很好的应 用前景，因此相对于其它太赫兹器件，人们更重视用半导体量子点制成的该类型器件 研究，但制备量子点的技术虽经过多年探索，也已经发明了一些较好的制备量子点的 技术，可是要想精确控制并制备出好的量子点，仍有很长的路要走。为克服量子点制 备技术上引起的不足，我们提出另外一种方案，即将杂质单原子掺杂在半导体量子阱 中，通过调节量子阱对杂质原子的量子限制效应，人为操纵杂质原子能级的结构，其 中包括控制能级问的间隔和调整杂质能级的排序，由此便形成了类似于传统量子点的 单电子量子点或单空穴量子点。 实验采用了先进的分子束外延生长技术，分别制备出多个沿( 1 0 0 ) 方向g a a s 衬 底上交替生长的g a a s a i a s 多量子阱样品( 阱宽范围从3 0 a 到2 0 0 a ) 和个均匀掺杂 b e 受主原子的g a a s 外延单层样品。各不同阱宽的多量子阱样品，在阱的中心都进行了 b e 受主原子的6 掺杂。对所有样品的研究主要是在4 2 k 的低温下，分别进行了p l 谱、共振r a m a n 散射谱和f o u r i e r 变换红外吸收光谱的观测分析。 在p l 谱中，除了清楚的看到自由激子、受主束缚激子和自由到束缚有关的跃迁 外，更重要的是看到了与受主束缚激子有关的跃迁，即：受主束缚激子的两空穴跃迁 ( t h t ) 。经过分析，b e o x 与t h t 两峰之间的能量间隔就对应着该样品中受主从基态1 s ： ( f 。+ f ，) 到激发态2 s v 。( f 。+ r ，) 跃迁所需要的能量。除此之外，在多量子阱实验 中，还可以看到到其它更高偶宇称激发态之间的跃迁。由此便得出了不同量子阱宽度 下受主基态到偶宇称激发态的能级跃迁结果。 共振r a m a n 散射谱中，清楚的观测到了h o 。( 由光激发空穴子带内的跃迁引起) 和 与g a a s 层有关的l 0 声子和t o 声子。此外，在共振r a m a n 散射谱的高能边看到了峰 值半宽很宽的界面声子( i f ) 峰和与受主原子有关的局域振动模以及界面态。除此之 外实验中没有观测到预期的与受主有关偶宇称跃迁峰，究其原因可能是我们的实验散 射截面小，激发功率低等诸多原因造成的。 f o u r i e r 变换红外吸收光谱中，对不同量子阱宽样品进行观测，清楚的看到三条 山东大学硕士学位论文 n 要的受主带内跃迁吸收线，它们是分别来源于受主基态到三个奇宇称激发态的跃 从上述实验研究中，可以得出量子阱宽度与受主跃迁能量之间的关系，由此关系 以看到，随着量子阱宽度的减少，受主跃迁能量会不断增加；此外，还可以看到受 的2 p 能级位于2 s 能级之下，而由量子力学跃迁的选择定则可知，在制造量子阱激 器时，若能满足载流子的粒子数反转，载流子将优先进入2 p 能级，提高相应器件 发光效率。 键词：量子限制效应；g a a s a 1 a s 多量子阱；6 掺杂；太赫兹量子阱器件 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h zo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u ml 。si nau n i q u ep o s i t i o na n dh a sm a n ya d v a n t a g e s a n dp o t e n t i a lv a l u ei nu s e ，s oi nt h ef a r - i n f r a r e db a n dt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l s t u d i e so ft e r a h e r t zl i g h t - e m i t t i n gd e v i c e so rl a s e r sn a t u r a l l yb e c o m eah o ts p o ti nt h ew o r l d t o d a y t h ed i r e c t i o no ft h ep h y s i c a lp h e n o m e n aw h i c hh a sb e e nd e m o n s t r a t e db y t h e s e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t si nh a sag o o dp r o s p e c t t h e r e f o r e ，c o m p a r e dt oo t h e rt h z d e v i c e s ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho fq u a n t u md o t sd e v i c e s ，a l t h o u g ht h e p r e p a r a t i o no fq u a n t u md o t sh a sb e e nr e s e a r c h e da n dt h eb e t t e rp r e p a r a t i v et e c h n i q u e so f q u a n t u md o t sh a v ea l s ob e n ni n v e n t e di nm a n yy e a r s ，i no r d e rt op r e p a r eg o o da n dp r e c i s e c o n t r o l l e dq u a n t u md o t s ，q u i t eal o to fe f f o r t ss t i l lh a v et ob ep a i d t oo v e r c o m ed e f i c i e n c i e s i nt h et e c h n i c a lp r e p a r a t i o no fq u a n t u md o t s ，as i n g l e - a t o mi m p u r i t i yi ns e m i c o n d u c t o r q u a n t u m w e l lh a sb e e np r o p o s e d b ya d j u s t i n gt h eq u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c to fi m p u r i t y a t o m si nt h eq u a n t u mw e l l s ，t h es t r u c t u r eo fi m p u r i t ya t o m i ce n e r g yl e v e l sc a nb e m a n i p u l a t e d ，i np a r t i c u l a r , t h ei n t e r v a lo fe n e r g yl e v e l sb e t w e e n t h ei m p u r i t yl e v e l sc a nb e c o n t r o l l e da n dt h er a n k i n go fe n e r g yl e v e l sc a nb ea d j u s t e d ，w h i c hf o r ms i n g l e e l e c t r o n q u a n t u md o t so rs i n g l e h o l eq u a n t u md o t s e x p e r i m e n t a l l y , a d v a n c e dm o l e c u l a rb e a me p i t a x yg r o w t ht e c h n i q u e w a su s e d ， r e s p e c t i v e l y , as e r i e so fa l t e r n a t i n gt h eg r o w t hg a a s a l a sm u l t i p l eq u a n t u mw e l l sw i t h w e l lw i d t h sr a n g i n gf r o m3 0t o2 0 0aa l o n gt h ed i r e c t i o no f ( 10 0 ) g a a ss u b s t r a t ea n da s i n g l ee p i l a y e ro fg a a su n i f o r m l yb ed o p e dw e r ep r e p a r e d b ea c c e p t o ra t o m si n6 - d o p e d w e r ed o p e da tt h ec e n t e ro fa l lt h em u l t i p l eq u a n t u mw e l ls a m p l e sw i t hd i f f e r e n tw e l l w i d t h s t h es t u d i e so fa l lt h es a m p l e sw e r em a i l l l ym a d ei nt h el o wt e m p e r a t u r e4 2 k ， r e s p e c t i v e l y , t h eo b s e r v a t i o n sa n da n a l y s i s o fp ls p e c t r a ，r e s o n a n c er a m a ns c a t t e r i n g s p e c t r o s c o p ya n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r a w e r ed o n e i nt h ep ls p e c t r a ，i na d d i t i o nt ot h ef r e ee x c i t o n s ，a c c e p t o rb o u n de x c i t o na n df r e et o b o u n dt h et r a n s i t i o n ，m o r ei m p o r t a n t l y , t h et w oh o l e st r a n s i t i o n s ( t h t ) w h i c ha r er e l a t e dt o t h ea c c e p t o rb o u n de x c i t o nw e r eo b s e r v e d ，b a s e do na na n a l y s i s ，t h ee n e r g yi n t e r v a l b e t w e e nt h et w op e a k so fb e o xa n dt h tw o u l dc o r r e s p o n dt ot h ee n e r g yw h i c hw a s n e e d e df r o mt h eg r o u n ds t a t e1s 3 2 ( f 6 + f 7 ) t oe x c i t e ds t a t e2 s 3 2 ( 1 6 + r 7 ) i na d d i t i o n , o t h e rt r a n s i t i o n sf r o mt h eg r o u n ds t a t et ot h ee v e n - p a r i t ye x c i t e ds t a t e sc a nb es e e ni n m u l t i - q u a n t u mw e l l se x p e r i m e n t s ，t h u sw ec o m et ot h ec o n c l u t i o no ft h ee n e r g yl e v e l t r a n s i t i o n sf r o ma c c e p t o rg r o u n ds t a t et ot h ee v e n - p a r i t ye x c i t e ds t a t e s 、析t l ld i f f e r e n t i i i i v 山东大学硕士学位论文 s 、p 6 h z e v p r h p j f l m o s r v o e g x k e b w 符号说明 受主能态 掺杂类型 频率 能量单位 掺杂浓度 摄氏温度 l u t t i n g e r 参数 哈密顿量 线性动量 角动量 总角动量 总轨道角动量 自由电子质量 自旋 对称性 量子阱限制势 禁带宽度 摩尔组分 热力学温标 受主束缚能 功率 v 山东大学硕士学位论文 1 1 选题动机 1 1 1 课题研究的背景及理论意义 第一章绪论 半导体低微结构在量子限制效应下显现出许多独特的光、电特性，一直是人们研 究的热点，而三维受限的量子点( 又称“人造原子”) 则更是研究的重点。量子点是 一种三维团簇，由有限数目的原子组成，尺寸大小在纳米量级。量子点类似于原子的 分立量子化能级结构和库仑电荷效应是其基本的物理性质。量子点的能态密度呈现出 一系列孤立的线形状，因而量子点比起量子阱和量子线更容易达到产生激光作用所必 须的粒子数反转，更适于制作激光器。但不同形状的量子点具有不同能念密度和本征 能量，不同尺寸的量子点具有不同能级间距，因此对量子点形状及尺寸的控制就显得 尤为重要。但量子点生长技术发展至今，仍不能做到其生长的精确控制。 为了克服量子点生长上遇到的问题，考虑到量子点的物理行为与原子的极为相 似，可以把杂质单原子放在半导体量子阱中，通过调节量子阱对杂质原子的量子限制 效应，人为操纵杂质原子能级的结构，尤其是控制杂质能级间的间隔和调整杂质能级 的排序，这就形成单电子量子点或单空穴量子点。该种量子点不仅具有传统研究量子 点的一般物理性质，还具有其它独特的优点，即：能实现储藏一个电子或空穴；大小 可小至2 0 a 的尺寸；更为重要的是能通过m b e 技术实现生长的精确控制。本课题要研 究的准二维g a a s a i a s 多量子阱中杂质原子的能级间隔一般是在几个m e v 到几十个 m e v 之间，正处在人们感兴趣的传统电子技术和光学技术相衔接的太赫兹范围内，这 也使得该课题的研究很有实际跟理论意义。 1 1 2 国际上研究的现状 目前，g a a s 体材料中浅受主杂质的电子结构和其它性质已经得到很好的了解，无 数文章中的理论和实验都在不断更新着这一课题。然而，限制在量子阱结构中杂质的 相应信息报道则相当有限，虽然量子阱中的杂质研究原则上不应该比体材料中得复杂 得多，但实践证明了从材料到量子阱预期的转换技术要比体材料复杂得多。要详细研 山东大学硕士学位论文 究量子阱中杂质的性质，量子阱材料的质量也是一个重要的限制因素，然而伴随着量 子阱生长技术水平的提高，像分子束外延和金属有机化学气相沉积等技术，这一领域 的研究水平已经有了很大提高。 把杂质原子( 施主或受主) 掺杂到g a a s a 1 ，g a h a s 多量子阱系统中，通过量子限 制效应可以人为地操纵杂质原子的能级结构，其中包括调节能级间隔和能级间的排 序，例如，可以使杂质原子的2 p 能级位于2 s 能级之下，成为最低的激发态n 1 。但是 g a a s a i 。g a h a s 多量子阱系统中的浅受主电子念性质研究，在广度和深度上都不如情 况相近的浅施主杂质情形，主要是由于g a a s 的b r i l l o u i n 区中心价带项具有复杂的 四重简并结构，这在计算量子阱中的受主能级和波函数时必须予以考虑，从而使计算 变得很复杂。理论上，考虑到g a a s 复杂的价带结构，b a s t a r d 乜1 首次使用变分方法计 算了无限高势垒理想情形下，量子阱中受限类氢杂质能级，并预测了杂质束缚能依赖 于量子阱的宽度和杂质在量子阱中的位置；这之后m a s s l i n k 等人。”考虑到有限势垒高 度量子阱的实际情况，对g a a s a 1 。g a h a s 多量子阱系统中b e 受主原子1 s 。，：r 。和2 s 。，。 r 。两个态的能量和波函数进行了计算；实验上，g a m m o n 等人h 1 通过共振拉曼散射的 手段和r e e d e r 等人晦1 通过远红外吸收方法分别研究了浅受主杂质各种宇称电子态间 的跃迁。之后，h o l t z 等人哺l 盯3 又通过对束缚在受主原子上的激子复合两空穴跃迁间 接地研究了受主从基态到同种宇称激发念问的跃迁，并且同时也对阱宽为5 0 a 一1 3 8 a 的g a a s a 1 ，g a 。，a s 多量子阱的拉曼散射进行了测量报道。然而，对在阱中心有b e 受 主杂质原子掺杂的g a a s a 1 a s 多量子阱而言，无论在实验上还是在理论上却研究甚少。 更为有意义的是g a a s a 1 a s 多量子阱是g a a s a 1 。g a h a s 多量子阱系统中对受主杂质态 量子限制效应最强的量子阱，受主能态间跃迁能量可以有着更宽的调节范围。以上这 些为我们进一步研究制作量子阱远红外器件提供了理论上的可行性和实验中更广泛 的选择性。 1 1 3 实验及理论上的优越性 利用量子限制杂质原子带间跃迁的微电子器件，可以通过分子束外延技术制备。 在用分子束外延技术生长的诸多量子阱系统中，g a a s a l 。g a h a s 多量子阱系统的生长 技术最为成熟。因此我们课题选择了量子限制效应最强的g a a s a 1 a s 多量子阱做样品， 在掺杂杂质原子的选取方面，理论上讲施主与受主都可以，但在具体的实际应用当中， 具有较大束缚能的受主杂质原子无疑更加具有吸引力。其原因是：( 1 ) 改变量子阱对 2 山东大学硕士学位论文 杂质原子的限制效应，受主杂质能级间的跃迁能量比起施主杂质有一个更宽的调节范 围。( 2 ) 受主杂质原子能级问的跃迁能量小于纵光学声子( l o ) 能量，可以显著地减 少散射过程中通过l o 声子造成的非辐射复合的载流子损失4 6 ”。 在g a a s a 1 。g a h a s 多量子阱系统中，最常用的掺杂受主是铍( b e ) 原子，因为：( 1 ) 在g a a s 量子阱层中b e 原子相对于其他受主杂质原子在扩散方面更具有相对稳定性； ( 2 ) 在g a a s 体材料中b e 受主原子具有2 8 m e v 左右的束缚能协l 阳ln 叫；( 3 ) 通过对b e 受主掺杂的g a a s a i a s 多量子阱的p l 谱研究，观察到了随着量子限制效应对b e 受主 原子限制的增强，b e 受主束缚能随之不断增大，并且可调制到5 0 m e v 。所以我们选 择了b e 受主原子作为g a a s a 1 a s 多量子阱中的掺杂原子。 b e 受主原子在g a a s a 1 a s 多量子阱中的掺杂方式很多，但我们采用g a a s 阱层中 央的d e l t a 掺杂方式，即：在利用分子束外延技术对g a a s a 1 a s 多量子阱系统的生长 过程中，在每一个g a a s 量子阱层中央都外延一个b e 受主杂质的单原子层。采取这种 掺杂的方式主要有两个原因：( 1 ) b e 受主原子在量子阱的能念不仅与量子阱的宽度有 关，也与它在量子阱中的掺杂位置相关口3 。若在量子阱中的某一宽度区域内均匀掺杂 b e 受主原子，则受主能级会在量子阱中将会扩展成能带。这对利用杂质能态之问跃迁 制备出的太赫兹源的单频特性会造成极大影响。( 2 ) 在量子阱的中央掺杂b e 受主这 一杂质原子单层将会在阱的中央形成一个势尖峰，作用在每一个受主杂质原子能级 上，它能使每个杂质原子能级的排列顺序发生变化，即：使b e 受主原子的2 p 能级位 于2 s 能级之下。 1 1 1 4 问题的提出及本课题的主要研究内容 要研发以杂质能级之间跃迁为基础的太赫兹量子阱发光器或激光器，首先要解决 的问题是：杂质能级要具有可调性，包括能级之间的距离和能级之间的排序的可调。 ，主要研究内容： 1 限制在g a a s a 1 。g a 。一；a s 多量子阱系统中的b e 受主杂质原子，可以看成是类氢原子。 根据量子力学中有关的内容可知，受主杂质b e 原子能态之间允许的跃迁选择定则为 l = 1 若能通过激光泵浦或电注入能使b e 受主原子n = 2 激发态能级上的载流子发 生粒子数反转的话，为了提高发光效率我们寄希望于注入的载流子能优先进入2 p 能 级，而不是2 s 能级。因此，我们需要调节2 s 和2 p 能级间的排序，即：在能量上抬 高2 s 能级同时降低2 p 能级，使2 p 能级位于2 s 能级之下。这在理论上是可以实现的， 3 山东大学硕士学位论文 根据包络函数方法，量子阱中央进行b e 受主杂质原子d e l t a 掺杂的g a a s a 1 。g a h a s 多量子阱系统，会在阱的中央产生一个势尖峰，根据无限深量子阱中电子态的分布情 况，b e 受主的2 s 本征态在势尖峰处会产生一个波腹，2 p 本征态在势尖峰处产生一节 点，2 p 态受势尖峰的影响较2 s 态要小，因此势尖峰迫使b e 受主的2 s 态在能量上位 于2 p 态之上，这一理论上的预见需要我们的实验予以验证。 2 量子阱中心进行b e 受主原子d e l t a 掺杂，原本分立的受主杂质态将受到量子阱势 的挤压，即量子阱势对b e 受主杂质原子有量子限制效应作用。量子阱宽度越窄，则量 子限制效应越强。通过量子限制效应可以人为的改变受主杂质能级问的能级间距，我 们也需要从实验上验证这一点，即：根据实验结果得出受主杂质能念1 白j 的跃迁能量与 量子阱宽度的对应关系。 验证方法： 对一系列不同量子阱宽度，并且在量子阱中央进行了b e 受主原子d e l t a 掺杂的 g a a s a 1 a s 多量子阱样品，进行p l 谱、共振r a m a n 散射谱和f o u r i e r 变换远红外吸收 光谱测量。通过p l 谱和共振r a m a n 散射谱测量可以得到受主基态1 s 到各偶宇称杂质 激发态之间的跃迁能量与量子阱宽度之间的实验数值关系。通过f o u r i e r 变换远红外 吸收光谱测量，可以得到受主基态l s 到各奇宇称杂质激发态之间的跃迁能量与量子 阱宽度的实验数值关系。将两种实验数据结合，就能给出较为细致合理的杂质能态在 不同阱宽下的分布情况，同时通过分析总结可以对该课题提出的问题及主要研究内容 给出很好的解答与验证。 1 2 本课题研究的潜在意义 1 2 1 太赫兹波 目前，太赫兹辐射的产生和应用是世界范围内的一个研究热点。太赫兹波( 如图 卜2 1 ) 1 2 1 i t 3 , 1 4 乩1 6 1 ，1 7 1 通常是指频率范围在o 1 一i o t h z ，相应波长范围在 3 0 0 0pm - 3 0um 的电磁波，太赫兹处于红外和微波之间，属于远红外波段，经常被称 为太赫兹( t h z ) 辐射。在上世纪8 0 年代中期之前，一方面由于缺乏有效的产生方法 和探测手段，人们对在这一频段电磁辐射的性质了解相当有限，因此长时间以来很少 有人对电磁波谱中的该频段进行研究。太赫兹研究发展的受限，使其应用的潜能也不 能得到充分的发掘，造成了远红外波段研究的空白区，即太赫兹空白区；另一方面太 4 山东大学硕士学位论文 赫兹技术的研究在长波方向上主要依靠电子学科学技术，而在短波方向上则主要依靠 光子学技术，这就形成了一个由电子学向光子学过渡的区域。可以看出，太赫兹波在 电磁波谱中位置特殊，决定了它有很多其它波长电磁波没有的优越性和潜在的利用价 值。 硼z 滚毁 i l ，l i i 珞i 0 够i 2l 轳 i z 。k i l z 锈l z 翁鬟z 了；i 荔 致幺一强l z 珏l 旋专 l z 频率 图卜2 一l 太赫兹在电磁波谱中位置 太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，决定了有许多独特的特点： ( 1 )高频短脉冲使其具有很高的的时间、空间分辨率，时域信噪比较高； ( 2 ) 光子能量很低使其不会对物质结构性质造成损坏； ( 3 ) 有机分子在该频段会表现出很强的吸收和色散特性； ( 4 ) 大爆炸产生的宇宙背景辐射中有一半都处于太赫兹范围，且室温下物体热辐射 也都处于太赫兹范围n 8 例； ( 5 ) 太赫兹穿透物质时衰减很小，有时甚至无损； ( 6 ) 高的时间、空间相干性； ( 7 ) 此外，太赫兹的带宽很宽并且大部分波段是大气不透明的。 1 2 - 2 太赫兹波的应用 近年来，随着激光与超快技术的快速发展，产生了稳定而可靠的激发光源，使实 现太赫兹脉冲成为现实，从而太赫兹辐射的产生、检测和应用的研究都得到了前所未 有的发展。 太赫兹频段由于存的在很多优良特性且尚未被开发决定了其具有极高的科学研 究价值和应用前景。太赫兹辐射的应用研究理所当然也就成了当今世界研究的热点和 5 山东大学硕士学位论文 重点。根据已知的研究n 引引钆峨1 6 ：”3 表明太赫兹辐射可以应用到医学诊断、环境监测、 无损检测、短程无线数字通讯、雷达与天文等方面。 有机大分子的旋转和振动能级多处于太赫兹波段，生物体对太赫兹波具有独特的 响应，所以太赫兹波谱包含着大量的物理及化学信息，可以用于疾病的诊断、生物体 的探测以及癌细胞表皮的成像等。 凝聚态体系的声子吸收多位于太赫兹波段啪1 ，自由电子对太赫兹也有很强的吸收 和散射，太赫兹技术必将成为一个研究凝聚态材料物理机制过程的有效工具。 太赫兹辐射由于具有小的衰减性质，可以穿透烟雾，检测有害化学物质成分，因 此可用于检测污染物。使用太赫兹探测器可以对空气中的水、氮化物、氯化物等成分 进行监测，从而为人们广泛关注的温室效应、臭氧层消失等世界性的环境问题提够大 量而有效的信息。 与可见光、x 射线、电子束、中近红外光和超声波相比，太赫兹可以穿透各种介 电材料，如果同时利用时域光谱技术，则可获得材料的很多有用信息。此外太赫兹源 产生的光子能量很低，不会对物质结构造成损坏，因此使用太赫兹成像的技术在许多 应用方面与可见光、x 射线等检测手段实现了互补，特别是可见光不能透过而物体又 不能受到损伤的情况下，如在安检、故障和隐患探测、珍贵化石和艺术品研究、生物 和医学中各种成像都具有重要应用。 太赫兹电磁波具有较宽的带宽，是很好的信息载体，能做到的讯道数与微波相比 要多得多，特别适合用于卫星间及局域网的宽带移动通讯。 太赫兹辐射的时间和空间分辨率很高，利用该特点可以做成太赫兹雷达。与微波 雷达相比，太赫兹雷达可以实现对更小目标的探测到并做到精确定位，因此，太赫兹 在国家安全及军事领域有着广阔的应用前景。 太赫兹波段同时也是射电天文学上研究的重要频段，结合卫星技术可以实现空间 成像。迄今为止，已经有很多国家都建设了地面射电天文望远镜用于天文观测，并且 已经观察到了许多有用的重要信息，这对宇宙起源和星体形成等方面的研究具有十分 重要的意义2 订， 2 2 o 综上所述，太赫兹波是有许多优点的电磁波，该技术由于在应用领域中潜力巨大， 世界各国对太赫兹也都给予了极大的重视。但产生太赫兹辐射仍存在相当多问题，这 也促使了我们对该课题的研究。 6 山东大学硕士学位论文 第二章样品的生长制备与实验测量 2 1 样品生长制备 2 1 1 分子束外延( m b f ) 技术 分子束外延( m b e ) 是一种物理沉积单晶薄膜方法。所谓外延就是指在一定的 单晶体材料的衬底上，沿着衬底的某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。 薄膜材料的制备有很多方法，其中蒸镀、溅射、离子镀、溶胶凝胶法、化学气象 沉积( c v d ) 技术和分子束外延( m b e ) 技术都是现今较为常用的方法，每种方法都有 其各自的特点和适用范围。其中，分子束外延技术是一种目前为止最先进的二维平面 生长技术。分子束外延技术的发展是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求，即 对掺杂分布可以精确控制的近薄层平面结构的要求。 分子束外延最早是在1 9 5 8 年由g g u n t h e r 瞳3 1 提出的，其实质是一种非平衡条件下 的真空沉积。简而言之，就是把要外延生长的相关材料放入一个开有小孔的加热装置 中进行加热蒸发，材料的气体分子通过小孔形成分子流。将小孔对准生长样品用的衬 底，气体分子便会落在衬底上，只要粘附系数足够的大，衬底上就会形成一个薄的晶 体层，即通过加热产生的热分子束与某一温度下的晶体表面互相作用，形成新的晶体 材料。1 9 6 8 年，j e d a v e y 和t p a n k e y 乜铂利用g g u n t h e r 汹1 提出的方法第一次在g a a s 衬 底上外延生长了薄膜。这一年，j a r t h u r 口3 3 也生长出了g a a s 薄膜，并研究了a s 束和g a 束与热g a h s 衬底之间的相互作用。1 9 6 9 年，美国的i b m 公司的江崎和朱兆祥啪1 提出半 导体超晶格设想之后不久，贝尔实验室就率先用分子束外延技术乜钉成功的制