（核技术及应用专业论文）自由电子激光对掺杂半导体及半导体量子阱材料的辐照研究.pdf

v 6 5 4 6 9 9 自由电子激光对掺杂攀浮体及半导体量子阱捞料的辍照研究 核技术及应用专业 研究生聂锦兰指导老师林理彬激授 自由电子激光和量子阱材料都是当祷科研的热门领域，而自由电子激 光对量子阱材料的辐照研究却进行的很少，因而这是一个新颖的课题。本 论文首先介绍了叁由电子激光、掺杂半黪体及半导体爨子瞵材料。爨由电 子激光豹介缁主要是着重予它的工作蔗瑷及特点，鼍麓也篱要介缮了北京 自由电子激光装置。掺杂半导体部分主要是介绍了杂质能级的形成。半导 j 体量子阱材料主要是从其定义、分类及擞予阱红外探测技术方面来介绍。 每鑫文翁第器积筹五章赍缓了本人懿谦嚣王棒，惫括怼强激毙辐爨下浚缝级 杂质基态和第一激发态束缚能的计算醴殷g a a s a 1 g a a s 量子阱红外探测 器对b f e l 的光电响应测试。通过理论计算发现，e l 。、e 2 。及e 2 。一e l s 随着 辐射强度的增船或辐射频率敬降低丽降低，这表鼹了强t h z 激光霹以增 大对半导俸象馐静电离。光电响应测试络栗则表疆，傻爝红矫鲁出电子激 光，可以成功地对量子阱缎外探测器进行光电响应测 式。对于高迁移率器 件只需在室濑条件下即可溅褥响应信号。 关键词：自由电子激光：掺杂半导体；懿子阱材料；杂质束缚能 红外探测器 s t u d yo nt h ed o p e d s e m i c o n d u c t o r sa n dq u a n t u mw e l l m a t e r i a l si r r a d i a t e db yt h ef r e e - e l e c t r o nl a s e r s m a j o r ：t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no f n u c l e a r p o s t g r a d u a t e ：n i ej i n l a n a d v i s e r ：l i nl i n b i n i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d i e so nt h ef r e e e l e c t r o nl a s e r s ( f e l s ) a n dt h e q u a n t u mw e l ls y s t e m sh a v eb e c a m ep o p u l a rw o r l d w i d e i t ss u p p o s e dt h a t t h e r es h o u l db es o m ei n t e r e s t i n gp h e n o m e n at oi r r a d i a t et h eq u a n t u m w e l lm a t e r i a l sb yt h ef e l s i nt h i sp a p e r ，w ew i l lp r e s e ms o m ew o r k sr e l a t e d 。t ot h i sf i e l d i ns e c t i o n2a n ds e c t i o n3 ，w ew i uf i r s ti n t r o d u c et h ef e l s t h e d o p e d s e m i c o n d u c t o r sa n dt h eq u a n t u mw e l lm a t e d a l s ，i nt h ep a r tf o rt h e f e l s ，w ee m p h a s i z eo nt h et h e o r ya n dt h es p e c i a lf e a t u r e so ft h ef e l s a tl a s t w ea l s om e n t i o na b o u tt h eb e i j i n gf r e e e l e c t r o nl a s e r se q l l i p m e n t ( b f e l ) t h e i n t r o d u c t i o nt ot h ed o p e d s e m i c o n d u c t o r si sm a i n l ya b o u tt h ef u n d a m e n t a l t h e o r i e so ft h ei m p u r i t ye n e r g yl e v e l s f o rt h ep a r to ft h eq u a n t u mw e l l m a t e r i a l s ，w ei n t r o d u c et h ed e f i n i t i o na n dt h ec l a s s i l y i n go ft h eq u a n t u mw e l l s y s t e m s w ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c et h eq u a n t u mw e l li n f r a r e dd e t e c t i n g t e c h n o l o g y i ns e c t i o n4a n ds e c t i o n5 ，w ew i l lp r e s e n tt h ed e t a i l e dw o r k s w e v ed o n e i n c l u d i n gt h ec a l c u l a t i o no f t h eb i n d i n ge r l e r g i e so f h y d r o g e n - l i k e i m p u r i t i e si na s e m i c o n d u c t o ri ni n t e n s el u s e rf i e l d sa n dt h ee x a m i n a t i o n so f t h eq u a n t u mw e l li n f r a r e dd e t e c m r su s i n gb f e l i ti sf o u n dt h a te l s 、e 2 sa n d e 2 s e lsd e c r e a s ew i t ha ni n c r e a s i n gr a d i a t i o ni n t e n s i t yo rw i t hd e c r e a s i n g r a d i a t i o nf r e q u e n c y ，w h i c hi m p l i e st h a ta ni n t e n s et h zf i e l d sc a ne n h a n c e i o n i z a t i o no fd o p a n t si ns e m i c o n d u c t o r s a n dw ed e m o n s t r a t et h a tu s i n g m i d i n f r a r e df e l sa si n t e n s el a s e rr a d i a t i o ns o u r c e s a 1 g a a s g a a s b a s e d q u a n t u m w e l li n f r a r e dd e t e c t o r sc a l lb ee x a m i n e ds u c c e s s f u l l ya n d i tw i l lw o r k e v e na tr o o m - t e m p e r a t u r ef o rh i g hm o b i l i t yd e v i c e k e yw o r d s ：f r e e e l e c t r o nl a s e r s ；d o p e d - s e m i c o n d u c t o r s ；q u a n t u mw e l l m a t e r i a l s ；b i n d i n ge n e r g y ；i n f r a r e dd e t e c t o r s 四j i x 学硕士学位论文 第一章引言 自由电子激光及其应用，是当前十分活跃的高技术研究前沿之一。它 的概念是由杰梅第( j o h n m a d a y ) 于1 9 7 1 年在他的博士论文中首次提出的 。1 9 7 6 年他和他的同事们在斯坦福大学建立了第一台远红外波段的自 由电子激光装置，实现了1 0 6h m 波长的光放大。自由电子激光是由真 空中的自由电子产生的受激相干辐射，它与通常的激光相比，具有激光功 率可调，激光输出功率高，光束质量好，时间结构精细而稳定，激光功率 高等一系列优点，这都是其它光源无法替代的。这些优点也决定了它能在 国防、医学外科手术、光动力学治癌、可控核聚变、材料科学、生命科学、 高能物理等诸多方面，比传统激光器及其他相干辐射源的辐射具有更重要 更广泛的应用前景“1 。 国内对自由电子激光的应用主要是在化学、医学和材料等方面。如北 j 京大学的李勇日1 等人研究了自由电子激光作用下邻氨基苯甲酸类分子的 结构变化，发现了自由电子激光诱导有机分子引发c o o h 和n h 2 之间的 重排现象。中科院高能所的刘年庆“1 等人使用自由电子激光辐照牙釉质， 发现它能引起辐照区的化学元素丢失，并能精确控制熔结范围，预示着自 由电子激光是牙科的一个优秀光源。中国科学院上海技术物理研究所的袁 先漳”1 等人研究了h 9 1 x c d x t e 材料中双光子诱导光电导特性，发现随自 由电子激光强度增大而出现的饱和效应。在国外，成功的例子则有很多。 早在1 9 8 9 年，j k a m i n s k i 和j s p e c t o r ”1 利用j j n j | t t 大学s a n t a b a r b a r a 分 校的远红外自由电子激光掺s i 的g a a s 并进行了一系列光电导率和光电鬟 尔测量。发现远红外自由电子激光能使电子由杂质能级激发到导带形成热 电子系统。在1 9 9 2 年，e s s g u i m a r j t s 7 1 等人在一个g a a s a 1 g a a s 超晶 格中发现了自由电子激光光子为中介的共振隧穿现象。其后，在1 9 9 5 年， n g a s m a r 和a c 1 m a r k e l z ”1 利用u c s b 的自由电子激光辐照g a a s 量子 阱，并分别用在线光致荧光测试方法和测量直流光电导的方法确定了热电 子温度，进而得出结论：量子阱在t h z 自由电子激光辐照下，其能量和 四川大学硕士学位论文 动量迟豫过程主要由l o 声子散射决定。在日本大阪的自由电子激光装置 曾完成了测定半导体异质结带隙，和对s i c 共振退火促进s i c 结晶等实验 【9 】 两种材料禁带宽度的不同以及其它特性的不同使异质结具有系列 同质结所没有的特性，在器件设计上将得到某些同质结不能实现的功能。 正因为异质结的优异性能，早在6 0 年代初期，当p n 结晶体管刚刚取得巨 大成功的时候，人们就开始了对异质结的研究1 0 l 。到7 0 年代，异质结的 生长工艺技术取得了十分巨大的进展。液相外延( l p e ) 、气相外延( v p e ) 、 金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和分子束外延( m b e ) 等先进的材 料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不仅能 生长出很完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能 在原子量级的范围内精确控制。1 9 6 9 1 9 7 0 年e s a k i 等第一次提出了超晶 格的概念1 。于是，新思想和新技术的巧妙结合，制成了第一个晶格匹 配组分型的a 1 。g a l 。a s g a a s 超晶格“”；标志着半导体材料的发展开始进 。入人工设计的新时代。1 9 7 8 年d i n g l e 等人对异质结中二维电子气沿平行 于界面的输运进行了研究，发现了电子迁移率增强的现象。在以后几 年中，由于工艺的改进，将二维电子气的迁移率提高了近三个数量级，导 致了高电子迁移率晶体管( h e m t ) 的出现并为量子霍尔效应的发现创造 了条件。1 9 8 0 年德国的v o nk l i t z i n g 发现了整数量子霍尔效应“”，1 9 8 2 年崔崎等人又在电子迁移率极高的a 1 、g a l x a s g a a s 异质结中发现了分数 量子霍尔效应1 15 1 ) 这是半导体物理的重大发现，两个发现都获得了诺贝 尔物理奖。由于量子阱对电子运动的限制效应，1 9 8 4 年m i l l e r 等人观察 到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克 效应，以及由激予吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线形效应“， 为设计新一代光双稳态器件提供了重要的依据。这些发现引起了人们广泛 的兴趣，其丰富的物理内涵，推进新技术的潜力以及广阔发展前景日益为 人们所认识。经过3 0 多年来的发展，对半导体量子阱材料的研究已经成 为半导体研究中最活跃的前沿之一。 可以看出，对量子阱的研究和对自由电子激光的应用研究都是目前科 四川大学硕士学位论文 研领域中的热点，因而可以预见，把自由电子激光应用于量子阱材料的研 究将是一个很好的创新点。本论文从理论和实验方面对此做了一定的工 作。 强场作用于固体有着很多有趣的现象，比如可以减小材料能隙，弗朗 兹一凯尔迪什效应的产生，改变磁固体的临界温度，另外还能改变载流子 的束缚能等。在本论文中，我们对强场对载流子束缚能的影响进行探讨。 研究这个问题的最好模型就是半导体中的杂质。近年来，人们对半导体超 晶格和量子阱中类氨杂质问题做了较广泛的研究。b a s t a r d ，首先利用变分 的方法计算了无限深势阱中类氢杂质的束缚能，其后，m a i l h o i t 以及g r e e n e 等，又分别独立地将其推广到了有限深势阱情况。接着，刘振鹏等又利用 一维化计算方法对量子阱中类氢杂质问题作了进一步的分析。此外，顾世 洧及其合作者对“量子阱中电一声子相互作用对杂质态的影响问题”也作 了很多讨论1 。但关于有强电磁场存在情况下的杂质问题却少有人去研 究，我们则针对现有的自由电子激光条件，在w x u 的指导下，对自由电 子激光条件辐照下的半导体中类氢杂质束缚能进行了计算，这套方法和思 维可以进一步推广用于量子阱材料。 量子阱红外探测器也是目前对量子阱材料的一个重要应用。它具有工 艺过程成熟、价格低、大面积均匀性好，热稳定性好、响应速度快( p s 量 级1 、量子效率高、探测波长可调等显著优点。在本论文中，我们使用自 由电子激光对量子阱红外探测器进行光电测试。发现使用红外自由电子激 光，可以成功地对量子阱红外探测器进行光电响应测试。对于其中的一个 高迁移率样品在室温条件下即测得了响应信号。 露川大学磺士学位论文 第二章自蠢电子激光 2 。l 自由电子激光的工作原理 我们参照参考文献 1 8 来对自由电子激光的工作原理做个简介。 自由电子激光是一芊中以在周期磁场中作振荡运动的相对论优质电子 束 乍为工作物质的大功搴、可调谐的相干辐射源。幽于电予不像在普通激 光器中那样受原予所束缚，电子是“自由”的，故叫自由电子激光。由电 子捻产生戆电子索露注入毫予魍速嚣中，经糖速慝再送遴摇摆磁铁振荡 器，如图2 1 所示，摇摆磁铁沿z 方向产生周期性变化的磁场，磁铁方向 涪y 方囱。 电子受此磁场的作用，将在x z 平面摇摆前进。这一摇摆运动是霄加速度 的( 如沿x 方向的振荡电偶稷予) ，所以电予将发射电磁波。这样的辐射 称为自发辐射。该辐射是要集中在与电子掇演运动方囱棚垂壹的朝翦方 向，由于多普勒频移，实验观察到的辐射电磁波波长是： 1 五= i 善i ( 1 十d ：) ( 2 - - 1 ) z y 式中y 是以电子静止质撩为单位的电子总能艇；口。= o 0 9 3 丸玩，b 。怒磁 场强度( k g ) ，屯是磁场周期长度，擎健是艨岽。如俺使上述垂发辐射变 为相干辐射? 其机制是，电子敬扭摆磁铁中作振荡遮动的间时，还沿扭摆 磁铁长发方囱晦期蕙方囱豹运动，强暴电子蓠送运动懿逮发馒褥蔻迸一个 4 因j l 大学硕士学位论文 磁场周期长度屯的距离嫒煮的时闻烩为 ( 。+ ) c 式中c 为光速，n 为正熬数1 ，2 ，3 n ，那么电子在振荡运动的相继周期 甥闯悫歇产生戆爨发辐射便成为与光波波长毛的掇予辐瓣，( 2 一1 ) 式中 的允就是n = l 的 。如何使这种相干辐射成为光放大? 还必须另外置入一 个线稼摄懿平瑶魄磁渡，往它在褪攒磁铁静中心平覆上与整撵磁场稿整 加，扭摆磁场与平面电磁波的组合作用就给电子束提供个沿扭摆磁铁长 度方向的作用力，该作鞠力不楚略微加速电子就是珞微减速电予，造成电 子柬在光波波长盖。上的群聚，产生漱予束的密度调制，使得原来的相干 辐射被放大。平丽电磁波的来源不同，f e l 的工作模式就不同。 2 2 蛊耄瞧子激光鳇特点 自由电子激光是用相对论性电子柬在“泵浦场”的激威下经受激发射 放大产生的相干光源，与通常的激光相比其有如下的新颖特性： l 。激光输出功率赢 自由电子激光是用真空中运动的相对论性电子束通过摇摆器或其它 换筑辍割将遣予豹动转换或激光戆璧。出予鸯蠢奄子激党是皴真空中豹 相对论性电子束为工作物质，所以其输出激光能量不受工作物质热破坏的 限涮，从而可以获褥菲常高韵激光功率。 2 激光波长连续可调 自由电子激光波长的连续可调，是其他激光器无法与之比拟的突出优 点。姨叁囱惫子激光熬薤本物理这毯哥鞋知道，波长五取决予奄子索辘量 和摇摆器参数，并且必须满足共振关系式 j 五篇兰 ( 1 + 口：) z ， 式中，y 是电子以静止质量为单位的相对论能量阕予，五。为摇摆器周期， g ，。为均努根无豢缀援摆器感应凌振幅。关系式爱浃了彀予素爨量、摇摆 四j i l 大学硕士学位论文 周期和摇摆磁感应场等参数所确定的激光工作波长。原则上只要连续改变 ，、兄。、口。中任何一个参数就能达到连续改变激光波长的目的。电子束 的能量是连续可变的，因此，自由电子激光波长覆盖范围原则上可以从毫 米波波段一直到真空紫外波段，甚至软x 射线波段。 3 光束质量好 激光与非相干光比较，它的特点是方向性、单色性和相干性好。而衡 量这些特点的一个重要的综合性参数就是光束亮度。方向性、单色性越好， 亮度就越高。一般自由电子激光不存在工作物质温度升高引起的谱线增宽 等现象，同时发射角可以接近衍射极限。因此自由电子激光的亮度比一般 激光要高得多。 4 精细而稳定的时间结构 以射频直线加速器为基础的自由电子激光所产生的分布与电子束脉 冲的分布有着相同的时间结构。其中宏脉冲的宽度一般为4 1 0us ，在一 个宏脉冲内的微脉冲宽度仅4 - l o p p s ，而且要求抖动时间很小，仅i p s 左 右。这样精确快速而且可调的时间结构，可用于物理、化学、医学等分子 过程的动力学研究。 5 激光效率高 和原子激光不同，电子束和激光之间的相互作用没有产生其它的能量 耗散过程，除了转换为激光的能量外。其余的仍然保存在电子束中。尽管 在摇摆器内一次相互作用过程中，电子束能量转化为激光的效率不高，但 是从摇摆器出来的电子束能量可以回收，从而可以达到提高效率的目的。 2 3 北京自由电子激光装置 在8 0 年代中期，国内一些科研单位开始了对f e l 的研究。我国第一 台射频加速器型自由电子激光装置一由中科院高能所建立的北京自由电 子激光装置( b f e l ) 于1 9 9 3 年5 成功地发出红外振荡讯号，继而，又于 1 9 9 3 年1 2 月成功地实现了红外自由电予激光饱和振荡，成为亚洲地区第 一台出光并达到饱和的自由电子激光装置。其输出功率较自发辐射高出三 瑚川丈学硕士学位论文 个爨级，一陛能达到了当时国际先进水平。鼹前世晃上融有美、法、瞪、德、 蹶、英、孛、懑等十死令鹜褰翔鸯或菱簌建设塞由惫予激光装萋。 北京自由电子激光装管为工作在中筑外谱区，使用射频直线加逋器的 廉酱顿型自由电子激光振动器。其总体布局见图2 2 。由图2 2 可见， 大功率速调管产生兹强微波坛，经峦! 凌导镑分剐送到微波邀予枪的谈振腔 和电子直线热速器的加速管中。燕阴极微波电子枪产黧脉冲电子索流，在 低能传输系统中，经a 磁铁进行能量选择和相区压缩后，注人到加速篱中， 将电子加速到3 0 m e v 左右，然后通过一消饿散和准等耐性的高能柬流传输 系统，注入到攥摆磁铁孛，发生电子一璃龛雩穗互终瑶，产生貔激光邋过光 柬传输系统，送到光学实验赢进行测量、诊断。产生激光后的电子乘，再 缀柬流传输系统，送到时间分辨谱仪，研究相互作用瞄电子束团能徽随时 阀弱变化关系。 北京营出电子激光器的主要强静是汗震自由电子激光物理研究，掌握 必键技术，为宓现更短波长翻由电子激光积累经验；阍时开展中红外波段 j 自由电子激光的应用研究。 置雌l 憾l 竞堆立曩冀 f i g 2 2 北京自由电子激光器的布局图 潮川大学硕士学能论文 2 。4 自由电予激光的应用前景 自由电子激光比普通激光具有饶异的链麓，它将有饕十分广泛的应用 前景。可以说自由电子激光怒目前最优异的相干光源，因此，在普通激光 艘用的多数领域中，采用自豳电子激光将变褥更有效和更精细。 叁自窀予激光潜在离埝窭功率、毫效率懿穗毪，搜它褥或为强激悫武 器、引发受控热核反应等领域最有希望的候选者。如美国“空间战略防御 计划”中，关于拦截并摧毁避犯导弹的定向能武器，墩主要的候选者就是 爨疰l 电子激光。 自由电予激光豹可调谐髓帮超短脉冲特性，使褥探索化学反成过程、 生化过程的动怒过程成为可能，这对研究物质的结构和性能，对生成新物 腰的研究，将会产生革命性盼变革和新的进展“”。 西州大学硕士攀建论文 第三章掺杂半导体及半导体量子瞬奉| 料 3 1 掺杂半导体 本节主要介绍杂质能级。 半导体的能带类似于绝缘体，即价带为满带。但半导体的禁带宽度较 小，一般兹2 电子扶以一f ，因藤在室溺己毒定静电导攀，电阻率一般兹 在1 0 4 1 0 4 欧姆米之间。半导体的电导率有一个显著特点，那就是对 缝瘦涎谈羧梭为被惑。铡舞，甏万分之一载硼含量麓戆使缝硅静毫导率成 万倍她增加。 我们称极纯静半导体肇晶材辩为本征半导体。本征半导体邋过飘满带 激发到导带的电予以及在满带中留下的空穴作为载流子导电。如若我们对 纯净半导体掺加适当的杂质，也能获得载流子。我们把提供导带电子的杂 j 质熬为施囊；恧将提供份带空穴妁杂溪旅为受主，这类杂质具鸯接受份带 电子的作用。例如，在锗、硅这类处于周期表第1 v 族的元素半导体中， l 珏羧杂霞醐、铝、镓、籀等是受主杂矮，瑟v 蔟杂质磷、碡、锑等测是 施主。这种含有杂质原予的半导体即称为杂质半导体，亦可称掺杂半导体。 下两我稻以硅和锗为国予来说明施圭麓缀及爱主熬级静形成。 硅和锗是使用最广的、最藏要的半导体材料，具有金刚石型结构。每 个原子的最近邻肖四个源子，组成正四面体。锗、硅原子最外层都具有四 个价电子，这些魄子的轨道通过适当的杂他，埝好与最近邻原予形成鼷瑟 体型的共价键。现设想有一个锗原予为v 族原子砷所取代的情形。砷原 子共骞五个稔电予，予楚与选邻镶器予形藏焚羚键螽凑“多余“一个徐毫 子。我们知道，菸价键怒一种相当强的化学键，就是说束缚在拭价键上的 电子能量谈耜当低的。细赣筢带丽吉，这倭是楚瓷价带中豹窀子。这个多 余的电子不在共价键上，而仅受到砷原子实a s + 的静电吸引，这种束缚作 用怒相当徽弱的。只要给这个电子以不大的能量就可使之脱离a s + 的柬缚 丽农晶体内自由运动，鄹成为导带电子。由此可见，束缚予a s + 上的这个 鳃川大学硕士掌能论文 “多余”电子舱能量状态，程能带图上的位罴应处于蔡带中而又极接近导 豢残。裁是嚣，鑫予掺杂，在禁豢中毒魏了麓缀，稳之为杂矮襞缀。觅霾 3 ，l 。每个施主引进的杂质能级成为施主熊级，用e d 代表。束缚予a s + 周 阑的电子就是襁施主能级上的电子。由上黼的讨论看出，施主能级麒有向 嚣镫提供逛子黥能力，其名亦源出于憩。母带底e c 与玛的差篷 幸= 1 翻专等 l。 f i g 3 1 施主驻级靼藏主电离 薯竺兰兰兰iii ：二二毒i f i g ，32 受主能缀和受主电离 e 严e e e o 称为施主电离熊，因为旄主能级上的电子脱离束缚进入导带 聪，蕊主杂簸裁成为萄芷电的正离子。弼觅，窝藏圭能级为电子占据，刚 稠应于中性的施主原子；而如果施主能级出空，则相威于旌主电离成正离 子。我们知邋锗和硅的重鬻施主的电离能一般都在o ，0 5 电子伏以下。因 鼗，室温己哥撬供是够戆热麓，镬藏主熊缀上餐奄子跃迁至导豢瑟经藏圭 电离。通过下颈的例子可以看出杂质的存在对半导体导电性能的影响。室 源硅的本征载流子浓度约为1 5 1 0 ”米一。如果磷含凝为百万分之一，即 磷的浓度约为1 0 ”米4 数爨缀，出于室激大约每个磷暇子均可提供个导 i o 四川大学硕士学位论文 带电子，掺杂使载流子浓度增加近十万倍。顺便指出，在一般掺杂水平， 杂质原子之间的距离是远远大于母体品格常数的，相邻杂质所束缚的电子 波函数不发生交叠，因而他们的能量相同，表示在能带图上，便是位于同 一水平上的分立能绂。显然，掺加施主杂质后，半导体中电子浓度增加， n p ，半导体的导电性以电子导电为主，故称之为n 型半导体。施主杂质 也因而可称为n 型杂质。在n 型半导体中，电子又称为多数载流子，而空 穴则为少数载流子。 现在我们再以硅中掺硼为例，来讨论受主杂质的作用。硼原子只有3 个价电子，与近邻硅原子组成共价键时尚缺一个电子。在此情形，附近硅 原子价键上的电子不需要增加多大的能量就可相当容易地来填补硼原子 周围价键的空缺，而在原先的价键上留下空位，这也就是价带中缺少了电 子而出现了一个空穴，硼原子则因接受一个电子而成为负离子。这类杂质 由于能接受电子而称为受主。上述过程所需要的能量就是受主电离能。与 施主情形类似，受主的存在也在禁带中引进能级，用e a 代表。见图3 2 。 不过e a 的位置接近于价带顶e v ，e a e v 就是受主电离能。在一般掺杂 水平，e a 也表现为能量相同的一些能级，显然，受主能级为电子占据相 应于受主原子电离成荷负电的离子，而空的受主能级则相应于中性受主。 我们了解到，受主电离能与施主电离能并无数量级的差别。在掺受主的半 导体中，由于受主电离，使p n ，空穴导电占优势，因而称之为p 型半导 体，受主杂质亦称p 型杂质。在p 型半导体中，空穴是多子，电子是少子。 从原则上看来，晶体中存在杂质时出现禁带中的能级乃是由于杂质替 代母体晶体原子后改变了晶体的局部势场，使一部分电子能级从许可带中 分离了出来。例如n d 个施主的存在使得导带中有n d 个能级下移到e d 处， 而n a 个能级从价带上移至e a 处。通过前面的讨论，我们已可看出，施主 可看作是一个正电中心束缚一个电子，而中性受主则可看作一个负电中心 束缚一个空穴( 受主电离因而可视为向价带发射空穴) 。因此无论是施主 还是受主都可看成类氢系统，从而可以近似地由氢原子的基态能量计算杂 质电离能，只是要以相应的载流子的有效质量m 代替电子的惯性质量m o ， 同时应考虑到晶体作为一种介质，介质极化对类氢系统静电相互作用的影 四川大学磺士学位论文 b 趣，这撵磷终杂获电离熊e l 雩为： + 7 e ，= 兰等( 3 1 ) 掰。s 。 式中e 。= m 。e 4 8 ：a2 = 1 36 电子伏为氢原子螅纂态电瓷能，程为母 体晶体的桐对介电系数。上式所示的数值在数量级上与实验结果致。我 们鬻挺这爽电离麓疆小、鼹毙渗透缘( 导繁痰或份带矮) 穰运熬杂溪髓缀 称为浅能级。此外还有熟他杂质也具有施主戏受主的性质，但程禁带中引 进我髓缀距离能鬻边缘较远舔阮较接近禁带中央，我们称之为深能级。一 些深能级的描述则可以使用类氮模型。 应当指出，通常在间一块辛导体材料中往往湖时存在两种类型的杂 质，这时半导体螅导电类型主要取决予掺杂浓度赢的杂质。例如，设穗中 磷的浓度比硼高，则表现为n 型半导体。 在零潺，由予一般拳导落纛本短激发爨供懿载滤予篡少，半导露戆导 电性质主要取决于掺杂水平。然而随着温度的升高，本征栽流予的浓度将 1 迅速增长，至予杂质提供豹载流子建蒺本上不改变。因戴邓镬慧掺杂半导 体，高温时由于本征激发将占主要地位，使n t p ，也总怒呈现出本征半 导体的特点。 3 。2 量子腆材料 电子信息科技、低维体系物理、纳米科学技术和新型材料科学是2 l 邀纪举毽鞲强酌鞭大学辩领域。8 0 年代末斓兴起的“世弊纳采热”至今 久演不衰它的发展也与半导体超晶格和量予阱的研究息息相关。超晶格 与璧子阱所具有的量子约束效应、共振涟穿效应、超晶格微带效应、声子 约窳效应粒二维电子气效应g l 起人 | 、l 的广泛关注。 半导体量子阱材料的显著特征是：1 由于电子沿量予阱生长方向的运 动受到约策，霆会澎残一系襄裹教量子女2 缀。鑫予不霉羹子憝级掰形藏予 带的贡献，使其电子态密度呈臼阶形状。2 猩量子阱中激予具有二维特性， 它的束缚缝是三维激予束缚耱的4 嵇，强戴不容翳离解。3 二缎激子静电 四川大学硕士学位论文 子空穴相对运动半径( 有效玻尔半径) l e - - 维激子的要小，因此它的振子强 度很大。这三个特性决定了量子阱材料在量子阱激光器、微腔激光器、量 子阱级联红外激光器、光调制器和光双稳器件等光电器件中有广泛的应用 前景。国际著名的物理学家黄昆先生曾指出：超薄层超晶格的兴起是半导 体领域自四十年代末单晶和晶体管问世以来所发生的最重大的事件，从基 础到应用，它所开辟的领域之广、之深、之新都是惊人的。可以说这是一 个新的起点；也可以说，半导体超晶格量子阱的研究，是目前半导体领域 中最大，最有前途，内容最丰富的一个生长点。 3 2 1 定义 将两种不同的半导体材料的薄层做成重复相问的多层结构，长在同一 块单晶上。只要两种材料的能带合适，电子在垂直于异质结面的方向上的 能带将有图3 3 所示的形状，电子和空穴的运动将被局限在势阱中。 巳酉nn 厂 已jl jl j l j l f i g 3 3 多量子阱的能带图 如果窄带材料( 势阱) 的宽度很小，可以和电子的德布罗意波长相比，而 宽带材料( 势垒) 的宽度很大，使两个相邻势阱中的电子波函数不能相互 耦合，则这种结构称为多量子阱结构。在这样_ 种结构中，每一个势阱中 的电子( 或空穴) 垂直于结面方向运动的能量不再连续，只能取一系列分 立的值e l ，e 2 ，e 。，它们和势阱的宽度与深度以及电子和空穴的有效 质量有关。势阱中的电子和空穴在平行于异质结的方向上的运动是自由 的，因而能带将由一系列的予能带组成，态密度和能量的关系呈台阶形状， 多量子阱结构中电子和空穴的运动是准二维运动。一般实验上研究量子阱 中的电子和空穴的运动特性时大多使用多量子阱样品，如果多量子阱结构 靼川大学硬士举使论文 中每一个周期都完全重复，实验上测褥的性质将和单爨子阱相同。 这秘多豢予臻毒害瓣遥会予毒 睾 毳瓣德、窄谱线翁菠宠器舞。当势垒蓖 较薄，高度比较低时，由于隧道共振效廒，势阱中的电子隧穿势垒，势阱 中的分立的电子能级形成了具有一定宽度的子能带这种材料称为超晶 楱，它适于铡套大功率敬发竞器 串。 3 2 2 分类 根据构成量子阱的相邻两薄层半导体的性质，可将量子阱分成组分 裂、掺杂型穗辩。凡是剥用暴质结构。爨复单元是由缎分不同的拳母体薄 膜形残静整予辫称为缀分鬣子辫。缀分爨予璐投据箕艇带不连续缭褐的特 点又可分为三个类型。其中第一类电子和空穴都在同一种材料中，电子跃 迁概率较大，其代表是g a a s a i g a a s 量予阱。第二类电子和空穴分别约束 在嚣秘誊孝糕中，电子跃适豹概搴较小，獒饯表是i n a s g a a b 量子瓣。第三 类量子阱中，有一种材料舆有零能隙，它的导带位于价带顶以下，媳型例 子为h g t e c d t e 量子阱。 “ 利用趣簿层材料外延技术( m b e 或m o v c d ) 生长艇有量子尺寸效应躲 同一半导幸搴孝才辑时，蠲交蜚改变掺杂粪穗的方法( 鞠一层掺入n 黧杂质， 一层掺入p 粼杂质) ，即可得到掺杂量予阱。在这种艇子阱中，电子和空 穴在空间中被分离，适当滤择掺杂浓度和层的厚度，则可达到电子和空穴 鳃完全分褰。嚣觉这静调到俘瘸决定了糖精不寻露瓣逸学秘光学靛痰。 我们还缀常把量子辫材料分为单豢予辫和多量予阱。顾名惑义，如果 所生长的材料中只形成了一个势阱，我们称之为单壁予阱材料；如果所生 长的材料中谢多个势阱，即为多量子阱毒葶料。在所有焱体积参数包括成分、 势辩窝势垒宽度、势垒靛麓菠、掺杂穗涎等完垒一群豹猜况下，多鬟予辫 的各种效应( 如光电响应信号的强度) 将是单量子阱的多倍叠加。 除了以一匕的分类外，我们还想介绍下调制掺杂结构。比如在 g a a s a 1 ；g a 。a s 异矮续或趱品格缝秘中，载滚子戆势爨蕊是在g a a s 处。 如果在g a a s 中不掺杂，a l 。g a 卜；a s 中掺n 型杂质s i ，这样的掺杂方式称为 调制掺杂。而且在a l 。g a 。a s 中的施主s i 电离后，贡献的导带电子将转移 到g a a s 的露带中去，不掺杂的g a a s 中将有足够数爨的导带电子，浅们把 蹬川太学矮士学位论文 这差孛裹浓痰豹殴铡在势爨中戆电子q 鼓二维电子气( 2 d e g ) 。瑟a 1 茹氟。a s 失去电子后，形成带正电荷的空间电荷区。这样，g a a s 中的导带电子与 黎寒产生它程豹瞧离藏主杂质在空澜上分开了，觅国3 4 。半等体中瀚载 流予在电场作用下漂移时，主臻受晶格散射和电离杂质的散射作用，在低 温下晶格搬动的影响大大减小，而由于有来掺杂的a 1 。g a 。a s ，电离杂质 离载流予缀远，魄离杂质的散射l 乍用也是缀小的。因丽农低温下，调制掺 杂结构的爨予阱材料可以获得比相同载流予浓度的体材料g a a s 高得多得 迁移率。 f i g 3 4 满制掺杂辑辑结构和箕对应静麓带图 3 。2 。4 整予醛红终搽测嚣 半导体量子阱材料研究迅猛发展的同时它的成用也越来越广。除了能 羯佟激光器、光调毒l 器窝竞双稔器姊等竞学元锌拜，垂予密辛辛孝肆氇可以霜 来制作红外探测器。量子阱红外探测器系利用阱内导带子带间歇迁为机理 的红外探溺技术。1 9 8 5 年w e s t 等人首先戏察到g a a s 擞子簖中的光跃迁 现象，接麓l e v i n e 及其舍作者从结梅设计、器件职制及其性能的提嬲等 方面做了大量研究，至1 9 8 7 年已制造出g a a s a i g a a s 多量子阱红外探测 嚣。最好性能懿多量子辫红外搽测器氇是凌l e v i n e 等人测出，莫主要瞧 能指标如下：工作濑度77k ，峰值波长为8 “m ，峰值探侧率 疗：4 , 0 。l 拶。，荔w 。爨予爨经努探潦器静探溅波长藏爨霹禳豢需要透过 四川大学硕士学 豇论文 改变g a a s 阱宽和a 1 。g a l x a s 垒高( 由a l 组分x 确定) 任意设计，既可 後箕适嗣于3 5 # m 翡丈气密口，又可设诗在g 1 2 # m 瓣大气密醴。垂乏辨， 擞子阱红外探测器具有响应速度快、薰子效率高、可变波长以及热稳定性 和均匀性好的特点，可以制成大面积红外焦平面阵列，在红外成象技术、 瑟銎红乡 光灌仪以及空阑穰礁裁导系缝中占有黧要遗建“。 1 6 蟹川大学硕士学位论文 第图章强激竞辗照下静浅能级杂质慕态及第一激发态 柬缚熬鳇计算 4 1 弓l 言 正如在引言中提到的一样，强电磁场作用下的固体有着很多有趣的现 象。其中之一便是强电磁场哥戮改变半导体杂蒺酌束缚麓。 在一定的外界作用下，杂质半导体中施主杂质的电予脱离殿子的柬缚 进入导带绒受主杂质从母体原子获取电子而在价带留下空穴，称为杂藏的 电藤。电离的杂腰是半鼹体中栽淡子( 如电子和空穴) 黪主要掇供者。电 离的杂质媳是半导体器件中杂质散射作用的的主要参与糟，它巍接影响着 半警终系绞载淡予熬迁移率，决定7 这个半嚣钵系统在低潺下静输运帮光 学性质。闵而，对杂质电离( 比如施主和受主的束缚能，跃迁能和不同杂 矮态阕的获迁狡率等) 懿磅究怒我们避一步探讨半导体毒芎精箕它各个物理 特憔的基础。 对于没有强电磁场辐射存在的情况下，国内夕 学者已有入对一些常用 的半导体材料包援量子辨丰孝料中施圭杂质鲍束缚自和不嘲杂质态之闫的 跃、迁能进行了研究1 3 7 - 4 1 1 计算这些杂质态的理论方法已经相当成熟。与 她稍不嗣粒是，我翻在零论文中褥逶擐阐述戆是关于毒强辐射瑗存在时戆 施主杂质的束缚能的计算。 大家缎遂，在半导体毒手瓣懿g a a s ，g e 帮s i 中，麓主移受主杂绶鞠 束缚能多是y h z 量级光子能量的。比如，g a a s 中掺g e 弓l 入浅施主，则 g e 取代g a 产生的施主能级为6 m e v ，相当于1 4 5 疆z 光子能爨；g e 中 掺i ns l 入受主杂质，其受主能级为l l m e v ，相当予2 ，6 t h z 光予l 量；s i 中掺p 引入施主杂质，施主能级为4 4 m e v ，相当于1 0 6 t h z 光予能量。 显瓣，我嬲可以没想，一个强戆t h z 辐射场将会与这些杂质态毒强烈熬 耦合。随着相干、高强度、长波长、频率可调的线偏振辐射场如t h z 戚 远程井( f i r ) 巍壶窀予激光( f e l s ) 懿发器帮应臻，实验研究不同半导 鹳川大学硕士学位论文 体系统中强激光场对杂质的( 特别是浅髓级) 电离或干扰已经成为可能。 最近冗年量，霆肉磬秘羯t h z 激壳磺究其对半导体糖辩的辐照效瘟已簸 了一定的实骏工作。比如，观测到t h z 激光导致t n a s 异质结构中的碰撞 电离现象t 4 2 1 也有人对g a a s 中的浅施主时间分辨级外光谱4 3 1 及g a a s 中鳃b e 受主挝曼跃迂谱避行了测试1 4 4 1 这些实验斡绫累告诱我们，在 t h z 激光场的作用下，半导体中蓟杂袋能态是要受到激光强度和频率的干 扰的。 为了弄清楚这些辐照现象的物理举质进而能预言新的辐照现苏，我们 蕾先需要绫壤论鸽受度去疆究强激光场辐照对半导体中杂矮襞态翡影酾。 在本论文中，我们研究了半导体中类氢杂质在有t h z 激光场存在时其束 缚能随激光场的变化。对于半导体材料如o a a s ，它的有效电子质爨和绝 缘常数是各国闻链翡，因两，在g a a s 这样静半导体毒季辩中杂囊怨与氢蘸 予中的电子能态是非常类似的，我们可用类氢模型来撒述这样一个杂质系 ? 统。另外，我们由 e ，：立了e h m 0s 一 ( 4 一1 ) ( 其中e ，代波杂质束缚能，e 。代表氢原子束缚能) 瞧可以看到，较小的 电子有效葳燃与较大的静态绝缘常数袋闻作用的结浆将使施主柬缚能相 对于氢原子变小了很多。也就是说类氢原予相当于一个在能量数爨级上缩 小了鲍氢原予。我 f 】在詹羲霾缒诗箕中将霹以看到，类爨模型的备个计算量 都是可以与氮原子类比的。 在参考文献 2 6 q ba l a f o n s e c a 等人分析计算了高强度辐射场下浅 能级杂质的蒸态能量。按照文献f 2 6 】的缡果，出文中簿式( 1 3 ) 可樽出， 在赢强度掇凝下，基态寒簿髓趋囱一r ：( 矗：受有效黧德堡霉数) ，帮相当 于没有激光作用的情况，我们认为这是不合理的。为了弄清楚在目前所存 在的t h z 自由电子激光的频率和强度范围内，半导体中的杂质恣是如何 鹳川大学硕士学彼论文 受干扰的，我们认为有必要褥次对半导体中杂质束缚能与t h z 辐射场的 频率黧强度鹃必系透霞探讨。爱癸，由予缓多与这个镶域程关静实验互俸 门经开展，有入通过使用光搏实验在测缴不同杂质态间的跃迁能。因而， 从理论角度研究强t h z 激光场如何影响半导体中杂质激发态也必将对此 炎实验有一定懿理论指导意义。终者在本论文中将对杂薅基态窝燕一激发 悫的束缚能遴行分橱诗算。 在开始阐述具体的计算前，我们先介绍计算杂质黼级的基础理论。 4 。2 浅能级杂麓窀离髓豹诗舞方法 类氢模型 如第三章所述，那些宅；离能很小、鼷能带边缘缀近的杂质称为浅& 级 袋痰。对予l v 簇半导毒蓦s i 稳g e ，瘸p 、a s 帮s b 这类杂蔟巷找墓矮孤子， 就可以产生浅施主。采用周期表中第1 i i 族元素，诸如b 、a l 和g a 这类 褥代式杂质，就可以在s i 和g e 中获得浅受主。 一个簿擎熬蠢效矮璧援型能够用来逡 薮建诗妻邀予对象a s + 逡撑躲藏 主杂质的束缚能。根据m o t t 和g u m e y ( 1 9 4 0 ) 及s m i t h ( 1 9 5 8 ) 的著作，作 用在晶体中很远位置上的一个自由电子的力f ，几乎罅于由位于a s + 离子 上的单个正电赫所产生的力。力f 可表示为 f ：三( 4 2 ) 4 z o 式中r 是电子距a s + 离子的距离，占是晶体的介电常数。上式只肖在r 大 予嚣令或三令螽穆闻距戆穗嚣下方是鸯效戆。舞采r 蹩最近邻距褒戆数量 级，那末额外电子就会明驻地干扰束缚墩予，上式就不再成立了。然而， 嬲e 很大时，这样小的r 值只具有很微弱的影响。现在可以把力f 看作 楚 乍用在电予上啦“羚”力，丽电子则坡篱作是在理憋鑫傣中运动。于是， 我们把它当成一个在场f 中运动着豹有效厦量为搬+ 的电子热以考惑。这 时问题简化成氯原子问题，我们可幽 1 9 嚣引丈学襞士学位论文 毛= 警* 肆笋加s 电子伏( 4 - - 3 ) 得到束缚能量为e 。的一系列能级，式中n 是整数，e 。是自由空间的介电 豢数。 当考虑到s i 和g e 的能带偏离球形对称时，需蒙对这个简化模型进行 修踅。这耱修正带来不少麻鬏，在魏我髓不讨论这释待凝。然翁，如袋我 们根据