半导体量子井材料.ppt

半导体量子井材料PL谱 曾浩0410337 赵昆0410336 半导体材料 半导体材料是导电性可受控制 范围可从绝缘体体至导体之间的材料 金属的价带与传导带之间没有距离 因此电子 红色实心圆圈 可以自由移动 绝缘体的能隙宽度最大 电子难以从价带跃迁至传导带 半导体的能隙在两者之间 电子较容易跃迁至传导带中 以Si Ge GaAs等半导体材料为基础的高性能晶体管 集成电路以及其他电子元件正以令人惊叹的速度发展 并且已经应用到信息社会的各个领域 低维 量子阱 量子线 量子点 材料在一个新的水平上体现了半导体的特点 这个领域的开拓正有力地推进半导体研究和新一代高技术的发展 本幻灯片将为大家介绍量子井的光越迁特性及其检测手段之一的光致发光谱 PL谱 什么是量子阱 量子阱结构是指载流子的运动在一个方向受到约束 即这个方向的尺寸与电子的德布罗意波长相比拟或更小 载流子只能在二维平面内自由运动 在量子半导体井材料中 原本体材料中准连续的能带变成了量子化的能级或被子禁带隔开的一些子能带 另一方面 由于电子波函数形式的改变 态密度出现不连续性 不同维度量子限制效应的态密度与能量的关系 单量子阱的能带结构以及波函数示意图 主要半导体材料 AlGaAsInGaAsInGaNInGaPInAsPInGaAsP 符合发光及其检测 半导体材料在受到激发时 电子由低能级向高能级跃迁 形成非平衡载流子 这种处于激发态的电子经过一段时间又恢复到较低的能量状态 发生电子一空穴对的复合 复合过程就伴随着光子的发射 如图 导带中的电子恢复到价带中 发出光子能量决定于E H间能级差 测量半导体材料的光致发光谱 PL谱 的方法是 用激发光源大于被测材料的禁带宽度Eg 且流密度足够高的光子流去入射被测样品 同时用光探测器接收并识别被测样品发射出来的光 从而获得载流子带间跃迁的丰富信息 载流子复合过程量子力学推导 考虑有限深量子阱中的电子态 即阱宽为LW 深为V0 V0 EC或V0 EV 的单一势阱中的电子状态 在沿势阱的z方向 由于势垒V0的存在 电子被束缚在势阱附近 其波函数按指数函数衰减 根据薛定谔方程式 电子在z方向满足 1 式中 为电子波函数 E为能量本征值 为电子有效质量 根据 1 式 可以得到能量本征值满足的方程为 i为奇数 2 i为偶数 3 其中和分别为势垒和阱内载流子有效质量 和为载流子能量本征值和势阱深度 为量子阱宽 室温下GaAs量子阱的导带第一子能级E1至轻空穴第一子能级LH1和重空穴第一子能级HH1的光跃迁能量分别为 TD005样品为例 温度T下 GaAs材料的带隙可以表示为 Eg 1 424eV 在多量子阱中考虑到电子 空穴的隧穿效应后 基态电子能级可表示为 分别为阱中和垒中电子的有效质量 对于GaAs AlxGa1 xAs结构 在价带量子阱中 空穴基态能级可表示为 对重空穴 对轻空穴 价带不连续性 对TD005多量子阱样品计算得到 与图中的1 530eV 810 3nm 和1 495eV 829 5nm 的PL峰值符合得很好 量子井材料可以做什么 红外探测器面发射激光器光折变器件等半导体器件 参考文献 曾谨言量子力学北京 科学出版社王占国 陈涌海 叶小玲等纳米半导体技术