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电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称 新技术专题 任课教师 赵玉华，周晓军，于军胜， 吴志明，刘永 学 期 学生姓名 学 号 2015年 月日关于量子结构材料与器件发展的认识与介绍 量子结构材料与器件是最近几年光电信息功能材料与器件研制的前沿目标。由于信息技术等应用需求和材料制备技术发展决定了其发展的迅速。当体系的尺度可以与电子波长相比拟时，就会产生量子效应，由此引发了量子结构材料与器件的发展。此外，随着在纳米精度上的材料与器件的制备技术发展，实际可控特征尺寸已精确到了生长方向上的单个原子层，这些先进的材料制作技术极大地推动了量子结构材料与器件的发展。 提到量子结构材料，首先要了解量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。这是由于金属纳米晶粒的能级间距公式为：=4Ef/3N。当宏观尺寸时，由于宏观物质包含无限个原子，即N，由公式得出0，即对于宏观物体能级间距几乎为零，所以此时金属费米能级附近电子能级为连续的。但对于纳米粒子，N有限，则必为有限值，所以金属费米能级附近的电子能级变为离散能级。因此，当引入量子效应后，量子结构的磁光、声、热、电及超导特性等物理性质都会受到量子尺寸效应的不同影响。这对于II_VI族化合物半导体有明显作用。我们知道，II_VI族化合物半导体主要是指由II-B族元素Zn、Cd、Hg和VI族元素O、S、Se、Te组成的二元和三元化合物半导体。由于具有较宽的带隙和较大的激子束缚能，尤其是量子阱结构的二维量子尺寸效应使激子束缚能增加24倍，导致材料的激子特性一直延续室温以上，为常温工作的器件奠定基础。由于II-VI族化合物半导体量子阱结构激子光学非线性比通常相应半导体材料大几个数量级，且激子光学非线性响应时间在ps量级，这就为快速开关器件的设计提供了基础。量子阱是指由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应也即量子尺寸效应的电子或空穴的势阱。如今应用较广的量子阱结构器件主要包括量子阱红外探测器和量子阱激光器。红外探测器是一种把红外辐射变成为电子信号的转换器。我们知道，在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子，即激子是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。当自由激子束缚在杂质上便形成束缚激子。激子束缚能越大，说明自由激子越容易和杂质结合形成发光中心。而且激子的束缚能越大，激子效应增强，在较高温度或在电场作用下更稳定。由于II-VI族化合物半导体激子束缚能较大，且II-VI族化合物半导体带隙范围较宽，能隙覆盖了从远红外到紫外的光谱范围，所以也被推为短波长光发射及激光器件的理想候选材料。而对于红外量子阱探测器来说，其优点是材料的均匀性好、器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低。对于大规模焦平面列阵探测器而言，这些优点表现得更为明显。量子阱探测器的设计和应用是能带工程的具体体现。通过对量子阱阱宽、垒高等的设计可以获得所需的探测波长， 因此非常适于大规模焦平面列阵探测器。半导体量子阱激光器有阈值电流小、线宽窄、功率高等优点，在光通讯等方面有着广泛的应用。在由两种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。量子阱级联激光器就是这样一种多层量子阱结构。通常激光器的发光机理为电子-空穴复合受激辐射机制，但在量子阱级联激光器中，受激辐射过程只有电子参与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，因此实现了单电子注入多光子输出，大大提高了效率，且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长，即其发光波长由半导体能隙来决定。因此，我们可从中得到线宽很窄的输出激光。由于这样一种全新的激光机理，输出激光的线宽很窄，所以根据所要求的波长，进行量子设计后用MBE技术在几小时内就可以做出几万个激光器的样品。在量子阱器件发展中，量子点也获得了越来越广泛的应用。量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。由于量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子尺寸效应特别显著，其连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子尺寸效应，量子点在光学生物标记、发光器件、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。在生物标记领域，半导体量子点越来越多地作为生物荧光探针用于细胞接受体和体内成像。在这些应用中，与传统的有机染料相比较，量子点的高光学稳定性允许长时间的生物过程的跟踪。在发光器件如LED和激光器领域，量子点特别是未经包覆的量子点由于极大的表面体积比，不可避免地会产生表面缺陷态发光，因而荧光由较窄的本征发光峰与极宽的缺陷态发光峰组合而成，从而使量子点可作为一种优良的可见光发光纳米材料应用在固态照明和激光器上。在太阳能电池研究领域，某些半导体材料的量子点，在被蓝光和紫外线等高能光子轰击时，能释放出两个以上的电子，即所谓的超电子效应。根据超电子效应，预计基于量子点技术的光伏装置的最高效率可以达到42，远优于硅基电池的31。然而目前，超电子效应还仅仅体现在孤立的量子点上，如何将光生电子传输至外部电路是个有待解决的关键问题。近年来基于CdSe量子点表面改性的纳米薄膜太阳能电池成为太阳能电池领域研究的一个热点。另外在光电探测器应用方面，相比于在量子阱红外探测器应用中红外光不能正入射，量子点红外探测器则不受这一限制。因为在量子点中电子在所有方向都受到限制，因此解除了量子阱结构器件中的选择定则的限制。因此II-VI族量子点在红外探测以及太赫兹探测器也存在着广泛的应用前景。总之，量子结构材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料，代表着目前半导体科学技术发展的主流方向，在未来的纳电子学、光电子学、光子学和新一代VLSI以及光电集成、光集成等方