（物理电子学专业论文）量子点的组分分布和电子结构计算.pdf

l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮 电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：量垒 导师签名：金鱼塾 日期：垄f ! ：三：! 日期：垄里包i ：竖： 1一 、_ i 北京邮电人学硕士论文 量子点的组分分布和电子结构计算 摘要 摘要 本论文的资助来源为：国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划“单片 集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”和国家自然科 学基金“基于应变机制长波长g a a s 基量子异质结构材料的研究”。 半导体量子点材料在纳米电子学、光电子学中具有广泛的应用前 景。研究量子点的组分分布和电子结构情况对指导光电器件的生产和 制备具有重要意义。本论文采用有限元和有效质量近似方法研究了量 子点的组分分布情况及量子点的大小、生长方向等因素对量子点的电 子结构的影响情况。 首先，研究了量子点大小对类氢掺杂量子点电子结构和结合能的 影响。采用有限元方法，利用有效质量近似薛定谔方程计算了类氢掺 杂半椭球形量子点的电子结构和结合能随量子点大小的变化趋势。研 究结果表明杂质能级随量子点体积的增大呈下降趋势。研究结果有利 于选择合适的量子点来制备器件。 其次，分析了i n g a a s g a a s 量子点平衡组分分布情况。采用有限 元方法和二次规划优化方法，计算了i n g a a s g a a s 量子点的平衡组分 分布，比较了陡峭量子点和平缓量子点平衡组分分布的不同，讨论了 熵对量子点组分的影响；对单量子点和量子点阵列平衡组分分布的区 别进行了比较。研究结果表明量子点越陡峭，其组分越是趋于分离； 温度越高，量子点的组分越是趋于混合；与单量子点相比，量子点阵 列中的组分分布更趋于混合。研究结果对预测量子点的材料特性有重 要意义。 然后，比较了沿( 1 1 1 ) 和( 0 1 1 ) 方向生长的量子点的电子结构。 采用有限元方法，通过求解考虑了应变和压电效应的薛定谔方程，得 到沿( 1 1 1 ) 和( 0 1 1 ) 方向生长的量子点的电子结构。研究结果表明 量子点的电子结构和压电势分布与量子点的形状和生长方向密切相 关。研究结果对量子点材料的生长和器件的制备有重要指导意义。 最后，对所做的工作做了总结与展望。 关键词：量子点，组分，电子结构，应变，有限元 北京邮电大学硕上论文 u 摘要 j 北京邮电大学硕上论文 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no fc o m p o s i t i o np r o f i l ea n d e l e c t r o n i cs t r u c t u i 之e0 fq u a n t u md o t a bs t r a c t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l “9 7 3 b a s i cr e s e a r c h p r o g r a m o fc h i n a “t h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a li n n o v a t i o no nt h e c o m p a t i b i l i t y i s s u e so fh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a lf o rt h em o n o l i t h i c i n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s a n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a i n v e s t i g a t i o no nl o n gw a v e l e n g t hg a a sq u a n t u m h e t e r o g e n e o u ss t r u c t u r em a t e r i a l sb a s e do ns t r a i nm e c h a n i s m s e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o tm a t e r i a l sh a v eaw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nn a n o - e l e c t r o n i c s ，o p t o - e l e c t r o n i c s a n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o n p r o f i l ea n de l e c t r o n i cs t r u c t u r eo fq u a n t u md o t si si m p o r t a n tt og u i d e t h e p r o d u c t i o na n df a b r i c a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h i sd i s s e r t a t i o n a d o p t e df i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ee f f e c t i v em a s sa p p r o x i m a t i o nt o s t u d yt h ec o m p o s i t i o np r o f i l eo fq u a n t u md o ta n dh o wq u a n t u md o ts i z e ， g r o w t hd i r e c t i o na n do t h e rf a c t o r st o i n f l u e n c ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo f q u a n t u m d o t f i r s t l y , t h ei n f l u e n c eo fq u a n t u md o ts i z eo ne l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n d b i n d i n ge n e r g yo fh y d r o g e n d o p e dq u a n t u md o tw a ss t u d i e d u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ee f f e c t i v em a s sa p p r o x i m a t i o ns c h r 6 d i n g e r e q u a t i o n ，t h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n db i n d i n ge n e r g yo fh y d r o g e n - d o p e d q u a n t u md o td e p e n d i n go nt h es i z eo fq u a n 舢md o tw e r ed i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a ti m p u r i t yl e v e l sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h ev o l u m e o fq u a n t u md o t s t h er e s u l t sa r eb e n e f i c i a lt oc h o o s es u i t a b l eq u a n t u m d o t st of a b r i c a t eq u a n t u md e v i c e s s e c o n d l y , t h ec o m p o s i t i o np r o f i l e so fi n g a a s g a a sq u a n t u md o t w e r ea n a l y z e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h eq u a d r a t i c p r o g r a m m i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h ee q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o np r o f i l e s o fi n g a a s g a a sq u a n t u md o tw e r ea n a l y z e d ，t h ed i f f e r e n c e so f c o m p o s i t i o np r o f i l e sb e t w e e ns t e e pi s l a n d sa n ds h a l l o wi s l a n d sw e r e i i i 北京邮电人学硕1 ：论文a b s t r a c t c o m p a r e da n dt h ei n f l u e n c eo fe n t r o p i ce n e r g yw e r ed i s c u s s e d t h e d i f f e r e n c eo fe q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o np r o f i l e sb e t w e e nt h es i n g l ed o ta n d t h eq u a n t u md o ts t a c k sw e r ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e g r e e o fd e c o m p o s i t i o ni s l a r g e r i nt h e s t e e p e rd o t s ，a tl a r g e r t e m p e r a t u r et h ed e g r e eo fd e c o m p o s i t i o ni ss m a l l e ra n dt h ee q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o np r o f i l e s t u r nt ob em o r em i x i n gi n q u a n t u md o ts t a c k s c o m p a r e dw i t ht h a ti ns i n g l ed o t t h er e s u l t sa r ev e r yu s e f u lt op r e d i c t m a t e r i a lp r o p e r t i e so fq u a n t u md o t s t h i r d l y , e l e c t r o n i cs t r u c t u r e so fi n a s g a a sq u a n t u md o t sg r o w n a l o n g ( 1 11 ) a n d ( 011 ) d i r e c t i o n sw e r ec o m p a r e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h ee l e c t r o n i ce n e r g yl e v e l so fq u a n t u md o t sg r o w na l o n g ( 111 ) a n d ( o l1 ) d i r e c t i o n sw e r ec a l c u l a t e db ys o l v i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a l e f f e c t i v em a s s s c h r 6 d i n g e re q u a t i o ni n c l u d i n g as t r a i nm o d i f i e d c o n f i n e m e n tp o t e n t i a la n dp i e z o e l e c t r i ce f f e c t s t h er e s u l t ss h o wt h a t p i e z o e l e c t r i ce f f e c t sa n dt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r e so fq u a n t u md o t sa r e c l o s e l yr e l a t e dt ot h es h a p ea n dg r o w t hd i r e c t i o no fq u a n t u md o t s t h e r e s u l t sa r ev e r yu s e f u lt og u i l dt h eg r o w t ho fq u a n t u md o t sa n df a b r i c a t e q u a n t u md o td e v i c e s f i n a l l y , t h es t u d yw a ss u m m a r i z e da n dv i e w e d k e yw o r d s ：q u a n t u md o t ，c o m p o s i t i o np r o f i l e ，e l e c t r o n i cs t r u c t u r e ， s t r a i n ，f i n i t ee l e m e n t i v l 卜 一l 北京邮电人学硕士论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景、目的和进展1 1 1 1 半导体量子点材料的发展1 1 1 2 量子点器件的应用情况2 1 2 本论文的结构安排5 参考文献：7 第二章半导体量子点基本理论及生长制备介绍9 2 1量子点的量子效应9 2 1 1 量子尺寸( 约束) 效应9 2 1 2 量子限域效应1 0 2 1 3 宏观量子隧道效应1 0 2 1 4 表面效应1 0 2 2 量子点的制备方法和自组织量子点1 1 2 2 1 量子点的制备方法1 l 2 2 2 自组织量子点1 3 2 2 3s - k 生长模式1 3 2 3 量子点电子结构的计算理论1 7 2 3 1 量子点的电子状态和能带结构1 7 2 3 2 计算半导体量子点电子结构的理论方法1 8 2 4 本章总结2 1 参考文献2 2 第三章，量子点大小及浸润层厚度对量子点电子结构的影响2 4 3 1 半导体杂质能级2 4 3 1 1 施主杂质2 4 3 1 2i i i v 族化合物中的杂质2 5 3 2 量子限制s t a r k 效应2 5 3 3 量子点大小对类氢掺杂量子点电子结构和结合能的影响2 6 3 3 1 计算模型2 6 3 3 2 计算结果及分析2 7 3 4 浸润层厚度对量子点应变分布的影响2 9 3 5 本章总结3 1 参考文献3 2 第四章，i n g a a s g a a s 量子点平衡组分分析3 3 北京邮电大学硕十论文目录 4 1 有限元及二次规划优化方法3 3 4 1 1 有限元方法3 3 4 1 2 有限元软件简述3 4 4 1 3 二次规划方法3 5 4 2 数值计算及结论3 5 4 3 本章总结3 9 参考文献4 0 第五章，沿( 1 1 1 ) 和( 0 1 1 ) 方向生长的量子点的电子结构4 2 5 1 引言4 2 5 2 应变和压电分布计算4 2 5 3 沿( 11 1 ) 和( 0 11 ) 方向生长的量子点的电子结构比较4 5 5 4 本章总结4 7 参考文献4 8 第六章，后续工作及展望5 0 致谢5 l 攻读硕士学位期间发表的论文5 2 i i 北京邮电大学硕l 论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景、目的和进展 1 1 1 半导体量子点材料的发展 第一章绪论 低维半导体材料，即纳米半导体材料，是自然界不存在的、人工设计和制造 的新型半导体材料，它具有与体材料截然不同的性质。半导体外延技术，超微细 离子束注入加工和电子束光刻技术等的发展为实现纳米半导体材料生长、制备及 纳米器件的研制创造了条件。这类纳米器件以其固有的超高速、超高频、高集成 度、高效低功耗和极低阀值电流密度、极高量子效率、高的调制速度与极窄带宽 以及高特征温度等特点在未来的纳米电子学、光子学和光电集成等方面有着极其 重要的应用前景。 半导体科学技术在2 0 世纪科学技术的突破性进展中起到了关键作用，它带 动了新材料、新器件、新技术的发展。近年来半导体材料主要朝两个方向发展： 一方面不断探索新的半导体材料，即所谓的材料工程；另一方面又逐步从高维向 低维深入研究已知的材料体系，这就是能带工程。 1 9 7 0 年美国i b m 公司的l e s a k i 和r t s u 提出超晶格概念，从而引起了二 维量子阱材料的研究热潮。自从量子阱结构问世以来，各国科研人员展开了大量 的理论研究工作以希望能将基于量子机理的效应应用于半导体激光器领域，随之 转向了对更低维度的量子线和量子点的研究。随着超薄膜晶体制备技术的发展， 半导体低维结构材料的研究和应用取得了很大的进步。一般来说，高质量的半导 体异质材料的生长需要不同材料之间的晶格匹配。任意组分的a 1 g a a s 都和g a a s 晶格常数相似，因此a 1 g a a s g a a s 系统首先引起了人们的广泛关注，并成了这一 领域内研究的最为彻底的材料体系。然而，不同组分的半导体材料晶格常数一般 并不一致，这就大大限制了材料的选择以及对其性能剪裁的自由度。8 0 年代中 期以来，对利用晶格失配的材料组成新的异质结构的研究越来越广泛，这种异质 结构内在的应变为能带设计提供了一个新的自由度。 由于量子限制效应n 1 ，与体材料相比半导体低维材料具有截然不同的光电性 质，因此具有更为广阔的器件应用前景。基于超晶格量子阱材料的量子器件如异 质结双极晶体管( h b t ) ，高电子迁移率晶体管( h e m t ) ，量子阱红外探测器，半 导体量子阱激光器等器件已经得到了广泛的应用。随着半导体外延技术( 如 m o c v d ，m b e 等) 和现代微细加工技术的发展，设计、制造有实用价值的光学微 北京邮电大学硕 ：论文 第一章绪论 腔已成为可能，并在低( 无) 阈值激光器研制方面取得了很大的进展。二维量子 阱材料带来的巨大成功促使实验研究人员继续在更多维度上对电子运动进行限 制，开展了量子线及量子点的实验研究。 目前，零维材料结构( 量子点材料) 及其应用为国际上最前沿的应用领域之 一。在量子点材料中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流子态密度与能量 关系为6 函数，因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性 光学等，极大地改善了材料的性能。无论从基础领域还是应用领域，量子点材料 的研究都具有很大价值。目前基础领域研究主要围绕着量子点材料的生长条件、 生长原理、量子点内应变压电分布、量子点的表面演化、量子点超品格的垂直性 等问题展开，应用领域研究则主要集中在用量子点材料制备光电器件等方面。 现在已经能够成功生长多种不同半导体量子点材料。i v 族量子点材料，如 s i 量子点和g e 量子点。i i i v 族量子点材料，与s i 材料相比这些材料具有较大 的带隙，所制器件可以承受较大功率，工作温度更高，而且这些材料大都为直接 跃迁能带，光电转换效率较高，适于制作光电器件。比如i n a s g a a s 量子点，这 种量子点材料是当前研究的热点，它多用作量子点激光器的有源区；g a s b g a a s 量子点，它的寿命比i n a s g a a s 量子点长，适用于制作光存贮器；g a n 量子点用 来制作蓝一紫外光激光器。i i - v l 族量子点材料，是重要的光学和光电材料，它 在整个可见光波段都是直接带隙，可用于制各平面彩色显示器、激光、发光器件、 光波导、光调制器以及光学双稳态器件等。具体的i i - v l 族量子点材料有z n t e 量子点，c d s e 量子点和z n o 量子点等。z n o 量子点是继i i i - v 和i i - v l 半导体量 子点之后又一新的宽( 3 3 7 e v ) 直接带隙半导体材料，它有6 0 m e v 的激子束缚能， 可以大大降低低温下的激射阈值比1 。除上述量子点材料外，还有g a a s 生长z n s e 量子点和在s i ( 1 0 0 ) 衬底上生长s i c 量子点，在s i 上生长g e s i 量子点的报道。 本论文主要讨论i n a s g a a s 量子点。 1 1 2 量子点器件的应用情况 下面介绍半导体量子点的主要应用。 量子点激光器 量子点激光器是量子点材料的重要应用之一。与现在己经发展得很成熟的量 子阱激光器相比，量子点激光器除使用单层或多层量子点作为有源区外，其他并 无区别。由于二者的结构相似，制备工艺兼容，加之量子点激光器比量子阱激光 器具有更加优越的性能，故而近年来如何对量子点激光器的性能进行优化成为热 点。由态密度形状可知，与量子阱、量子线相比，量子点更容易实现粒子数反转。 随着研究的深入，实际制作量子点激光器的阈值电流密度已经远低于传统激光器 2 北京邮电大学硕f ：论文 第一章绪论 及量子阱激光器。1 9 9 9 年g t l i u 等人口1 研制成功了室温下阈值电流密度2 6 a c m 2 的i n a s i n ；g a o 。s 量子点激光器。目前的研究热点是长波长单模量子点激光 器。2 0 0 1 年o i u 和g o g n a 将四层i n a s 量子点置于应变i n g a a s 量子阱中h 1 ，形成 有源区并配合脊形波导，温度1 0 0 摄氏度时，激射波长为1 3 a m ，输出功率为1 5 m w ， 室温下微分增益5 5 ，单面输出功率为5 0 m w 拍1 。最近g a a s 基上的g a i n n a s 量子 点和i n p 基量子点的光致发光峰己扩展到光纤通信的另一个窗口1 5 5 m 6 吲。 红外探测器 红外探测器是将入射的红外辐射信号转换成电信号输出的器件。随着分子束 外延技术的不断发展，过去一段时间里出现了利用半导体异质结中的量子效应工 作的新型红外探测器，比如，量子阱红外探测器。然而，量子阱红外探测器也有 局限性。其一，它不能直接探测垂直入射光，并且一般在红外区只有比较窄的响 应n 0 1 ，其二，它的暗电流过大，必须在液态氮的冷却下才能操作，大大增加了操 作的成本。而量子点红外探测器利用自组织量子点材料作为有源区，有望克服量 子阱红外探测器的缺点，最近广受关注。与量子阱红外探测器相比，量子点红外 探测器有明显的优点：对垂直入射光敏感，可达到更宽的光谱响应，长的激发电 子寿命，更低的暗电流，更高的光电导增益，更高的响应率，更高的探测率等。 量子阱红外探测器由于选择定则的限制，对正入射光照不敏感，但对于量子点红 外探测器而言，由于量子点中局域态的存在，可以带内跃迁，能被正入射光照诱 发。而且量子点中由于声子散射的减少，光激载流子在驰豫到基态前形成光电流， 从而提高探测效率。由于声子瓶颈效应，量子点激发态中载流子寿命的延长也有 利于改善探测器性能，加强量子效应，有望提高器件的工作温度。 单电子晶体管 单电子晶体管由一个量子点和两个分别与源和漏耦合的隧道结构成，是通过 控制在微小隧道结体系中的单个电子的隧穿来实现特定功能的器件。单个电子进 出量子点会使量子点的静电势和能量状态发生很大变化，它就可以作为传递数值 信息的载体，制备成单电子存储器和单电子逻辑电路等等。其工作原理是基于库 仑阻塞效应。微小隧道结是单电子器件的基本单元，可利用超薄硅膜( 包括非晶 硅、纳米硅) 及a 1 g a a s g a a s 等异质结构，经平面工艺加工或直接制成这样的微 小隧道结，即量子点结构。近年来，单电子晶体管成为纳米电子器件研究的热点。 低温工作的单电子晶体管己在1 9 8 7 年研制成功，堙1 ，1 9 9 7 年又报道了室温工作 的单电子晶体管开关n 驯。我国中科院物理所王太宏教授领导的凝聚态物理中心于 1 9 9 6 年研制成功波导型单电子晶体管，它是由一维波导及线条栅等组成的。其 工作温度高，性能稳定，适用于集成。在世界上目前的技术水平已经能够制造室 温工作的单电子晶体管，下一个技术难点是单电子晶体管的集成。 北京邮电人学硕l 论文第一章绪论 量子计算 量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算，基本信息单元叫做量子 比特，是实现量子计算的关键。量子计算的基础和原理以及重要量子算法为在计 算速度上超越图灵机模型提供了可能。研究表明，半导体量子点中的自旋念可以 用来构造量子比特n 4 15 1 。1 9 9 8 年，l o s 和d l v i n c e n z o 口刚描述了利用耦合单电子量 子点上的自旋态来构造量子比特，实现信息传递的方法。2 0 0 1 年，j e o n g 和c h a n g 首次探测到连在一起的一对量子点中各自的电子自旋状态n7 l ，并以此为基础研制 成计算机电路板上的开关电路。2 0 0 2 年7 月日本富士通研究所的研究员成功的 在半导体基片上实现了量子点间的电子传递n 引。量子计算将有可能使计算机的计 算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的 一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。 单光子光源 经典光源由大量的光子组成，由它发出的光子遵循泊松统计分布规律或超泊 松统计分布规律。单光子光源与普通光源不同，它能稳定地发射单个光子流，这 种光子流在规定时间内只包括一个光子，称为“反聚束源。基于目前对量子密 码学、量子通信和量子计算的研究，人们迫切需要解决单光子源问题。实验表明 1 9 - z i ，半导体量子点能发出单个光子，可用来制造“反聚束”源。一个量子点需 要一个容易隔离的人造原子，所以它作为单光子源是首要选择。单光子是通过单 一的自组织半导体量子点脉冲激发和光谱滤波混合实现的。而且，应用激光脉冲 激发量子点，产生的电子空穴对将复合发出一个惟一波长的光子，每个光子可由 光谱分离器分离出来。与其它“反聚束 源相比，量子点“反聚束”源具有窄的 谱线宽度，高的振子强度，并且不会发生退色。2 0 0 1 年斯坦福大学的s a n t o r i 和p e l t o n o n 瞳2 1 使用g a a s 衬底上生长的i n g a a s 量子点制造出了量子点单光子光 源。 量子点超辐射发光管 超辐射发光管晗朝( s u p e r l u m i n e s c e n td i o d e s ，s l d ) 是一种具有内增益的非 相干光源，它的光学特性介于半导体激光器与发光二极管之间。相比于激光器， 超辐射发光管具有更短的相干长度、更宽的发光光谱，能够明显地降低光纤中瑞 利背向散射和非线性光克尔效应引起的噪声，及光纤传输的模式分配噪声。超辐 射发光管的温度特性比较好，与一般的发光二极管相比，它的发散角更小，耦合 效率更高，输出功率更高。2 0 0 3 年中科院半导体所半导体材料科学重点实验室 的研究人员成功地研制出了首只高性能的量子点超辐射发光管盼钔。器件结构是采 用固态源m b e 系统外延生长的。 量子点光放大器 4 北京邮电人学硕士论文 第一章绪论 近年来量子点光放大器引起了很大的关注。相比于体材料和量子阱材料的光 放大器，量子点光放大器有很大优势：i n a s g a a s 量子点的饱和光增益的恢复时 间是p s 量级的心纠，而且理论也预言量子点光放大器具有很高的字节速率( 4 0 至 1 6 0 g b s ) 和多波长信号处理功能汹删。s u g a w a r a 和a k i y a m a 等用i n a s 量子点作 为有源区，研制出了性能优异的量子点光放大器瞄引。他们在i n a s 量子点层上覆 盖有i n ，g a o 。a s 应力缓解层，得到了1 3 微米的发光。 上述讨论主要讲了量子点材料在光电子器件领域和通信信息等领域的部分 应用，实际上量子点材料还有很多应用，比如在生物领域，限于篇幅本文就不在 一一赘述。众所周知，不同的应用对半导体量子点材料的要求并不完全相同。并 且从制造工艺上来讲，量子点的尺寸大小、均匀性等不好控制，生长大小均匀度 好的量子点是制造激光器和其他使用器件的关键。为了生长出满足不同应用要求 的半导体量子点材料，以及指导实验生长出均匀性的量子点，对量子点的生长机 理和物理特性进行深入的研究是非常必要的。 自组织量子点以s k 模式生长，量子点材料和衬底材料之间的晶格失配以及 由此引起的应变场是量子点自组织生长的主要驱动力。量子点结构中的应变不仅 会影响量子点的形状和分布，而且会影响量子点的电子结构，进而对光电器件的 性能产生很大的影响。静水应变会改变导带和价带的带边，单轴应变会改变导带 和价带的简并度等。设计光电器件需要对量子点内及周围的应变分布有精确的了 解，因此有必要研究量子点结构半导体材料的应变分布：同样量子点的大小、形 状、生长方向及组分分布等因素也会影响量子点的电子结构，进而影响量子点器 件的性能。本课题正是在这样的基础上，研究量子点的组分分布和量子点的大小、， 生长方向对其电子结构的影响，用于指导量子点材料的生长和器件的制备。从理 论上把握量子点生长的规律性是非常必要的，成熟的理论对实验研究具有指导作 用。只有从本质上掌握量子点生长的规律，才能使实验研究少走弯路。 本文主要采用有限元方法分析了量子点大小、生长方向等因素对量子点电子 结构的影响，及影响量子点组分分布的因素。具体内容是研究了量子点大小对类 氢掺杂半椭球形量子点的电子结构和结合能的影响；讨论了浸润层厚度对量子点 应变分布的影响；计算了i n g a a s g a a s 量子点的平衡组分分布；比较了沿( 1 11 ) 和( 0 1 1 ) 方向生长的量子点其电子结构的不同。 1 2 本论文的结构安排 本论文的主要内容安排如下： 第一章，绪论。介绍了半导体量子点材料的研究背景、发展状况，列举了半 导体量子点材料在器件领域的几种应用。介绍了本论文的研究意义和研究目的。 北京邮电大学硕 ：论文第一章绪论 第二章，半导体量子点基本理论及生长制备介绍。本章介绍了什么是量子点， 量子点的量子效应及量子点的制备方法和生长模式；介绍了量子点电子结构的几 种计算方法。 第三章，量子点大小对类氢掺杂量子点电子结构和结合能的影响。采用有限 元方法，利用有效质量近似薛定谔方程计算了类氢掺杂半椭球形量子点的电子结 构和结合能随量子点大小的变化趋势，研究了电场对量子点电子结构随量子点大 小变化趋势的影响。 第四章，i n g a a s g a a s 量子点平衡组分分析。采用有限元方法和二次规划优 化方法，计算了i n g a a s g a a s 量子点的平衡组分分布，讨论了温度、量子点形状 等因素对量子点平衡组分分布的影响。 第五章，沿( 1 1 1 ) 和( 0 1 1 ) 方向生长的量子点的电子结构。采用有限元方 法，通过求解考虑了应变和压电效应的薛定谔方程，得到沿( 1 1 1 ) 和( 0 1 1 ) 方 向生长的量子点的电子结构。比较了不同形状、不同生长方向的量子点其压电效 应的不同。 第六章，论文总结及对后续工作的展望。 北京邮电大学硕上论文 参考文献： 第一章绪论 【1 彭英才，半导体量子点的自组织生长及其应用，半导体杂志，2 4 ( 3 ) ，1 9 9 9 ：4 0 5 0 2 】柯炼等， j 物理，2 8 ，1 9 9 9 ，6 ：3 2 1 【3 l i ugt s t i n t za ，l ih ，e ta 1 e x t r e m e l yl o wr o o m t e m p e r a t u r et h r e s h o l d c u r r e n td e n s i t yd i o d el a s e r su s i n gi n a sd o t si ni n 0 15 g a o s s a sq u a n t u mw e l l ， j e l e c t r o nl e t t ，19 9 9 ，3 5 ( 14 ) ：116 3 - 116 5 4 1 e c l er u ，p h o w e ，t s j o n e s ，e ta l ，s t r a i n - e n g i n e e r e di n a s g a a sq u a n t u md o t s f o rl o n g - w a v e l e n g t he m i s s i o n ，p h y s r e v b ，6 7 ，2 0 0 8 ：1 6 5 3 0 3 【5 1 r s a n t o p r c t e ，b e l i t ak o i l l e r ，r b c a p a z ，e ta 1 ，t i g h t - b i n d i n gs t u d yo f t h ei n f l u e n c e o ft h es t r a i no nt h ee l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fi n a s g a a sq u a n t u md o t s ，p h y s r e v b ， 6 8 ，2 0 0 3 ：2 3 5 31 1 【6 l e es e u n g w o n ，l l a z a r e n k o v ao l g a , p a u ly o na l l m e n ，e ta 1 ，e f f e c t o f a n h a r m o n i c i t yo ft h es t r a i ne n e r g yo nb a n do f f s e t si ns e m i c o n d u c t o rn a n o s t r u c t u r e s ， p h y s r e v b ，7 0 ，2 0 0 4 ：12 5 3 0 7 i v 占国，物理，1 1 ，2 0 0 0 ：6 4 4 8 ms o p a n e n ，hpx i n ，cwt u ，s e l f - a s s e m b l e dg a l n n a sq u a n t u md o t sf o r1 3a n d 1 5 5l a me m i s s i o no ng a a s ，a p p l p h y s l e t t ，7 6 ，2 0 0 2 ：9 9 4 9 hs a i t o ，kn i s h i ，io g u r a , e ta 1 ，r o o m t e m p e r a t u r el a s i n go p e r a t i o no fa q u a n t u m d o tv e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r , a p p l p h y s l e t t ，6 9 ，19 9 6 ：314 0 【10 z h u a n gqd ，l ijm ，“hx ，i n t r a b a n da b s o r p t i o ni nt h e8 12 mb a n df r o m s i d o p e dv e r t i c a l l ya l i g n e di n g a a s g a a sq u a n t u m - d o ts u p e r l a t t i c e ，a p p l p h y s l e t t ， 7 3 ，1 9 9 8 ：3 7 0 6 【lll taf u l t o n ，gjd o l a n ，o b s e r v a t i o no fs i n g l e - e l e c t r o nc h a r g i n ge f f e c t si ns m a l l t u n n e lj u n c t i o n s ，p h y s r e v l e t t ，5 9 ，19 8 7 ：10 9 【12 lsk u z m i n ，kkl i k h a r e v , d i r e c te x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no fd i s c r e t ec o r r e l a t e d s i n g l e e l e c t r o nt u n n e l i n g ，j e t pl e t t ，5 ( 8 ) ，19 8 7 ：4 9 5 13 rs c h o e l k o p f , pw a h l g r e n ， ak o z h e v n i k o v , t h e r a d i o - f r e q u e n c y s i n g l e - e l e c t r o nt r a n s i s t o r ( r e - s e t ) ：af a s ta n du l t r a s e n s i t i v ee l e c t r o m e t e r , s c i e n c e ， 2 8 0 ，1 9 9 8 ：1 2 3 8 【14 1 as h n i r m a n ，gs c h o n ，q u a n t u mm a n i p u l a t i o n so fs m a l lj o s e p h s o nj u n c t i o n s ， p h y s r e v l e t t ，7 9 ，19 9 7 ：2 3 7 1 【15 ym a k h l i n ，gs c i e n c e ，as h n i r m a n ，j o s e p h s o n - j u n c t i o nq u b i t sw i t hc o n t r o l l e d 7 北京邮电人学硕i ：论文 第一章绪论 c o u p l i n g s ，n a t u r e ，3 9 8 ，19 9 9 ：3 0 5 【16 dl o s s ，dpd i v i n c e n z o ，q u a n t u mc o m p u t a t i o nw i t hq u a n t u md o t s ，p h y s r e v a ， 5 7 ，1 9 9 8 ：1 2 0 1 7 hj e o n g ，amc h a n g ，mrm e l l o c h ，t h ek o n d oe f f e c ti na l la r t i f i c i a lq u a n t u m d o tm o l e c u l e ，s c i e n c e ，2 9 3 ，2 0 01 ：2 2 21 18 d s c h e m l a ，d b m i l l