光电子低维结构材料和器件发展

光电子低维结构材料和器件发展光电子低维结构材料和器件发展 光电子低维结构材料和器件的发展目录 光电子材料和器件及其发展 简史 光电子低维结构低维结构基础光电子材料制备技术 MBE MOC VD 光电子低维结构器件光电子器件 激光器 探测器等 电学器 件 MOSFET 量子点存储器件等 光学器件 光子晶体 电学器件 光电子器件光子器件I T低维物理系 量子阱 超晶格等 器件物理异质界面物理工程的结 构器件 MQW激光器 APD等 材料科学 MBE MOCVD等 1946年年 计算机的发明明1948年晶体管的发明1951年半导体异质结理论的提 出1954年太阳能电池发明明1955年年发光二极管发明明结晶生长技 术迅速发展展1958年集成电路开发发1962年年红色发光二极管产品 化1970年室温半导体激光器 贝尔 1970年低损耗光纤 康宁 1 973年液晶显示器发明明1980年高速晶体管发明 富士通 1985年CD ROM商品化1987年光纤放大器成功1993年年蓝色发光二极管 日亚 亚 1996年DVD商品化光电子器件发展简史低维材料结构 半导体 材料的分类 半导体物理几个概念 二维电子气结构 2DEG 量子阱 量子线和量子点材料 超晶格的分类组份超晶格 掺杂超晶格 应变 超晶格 I II III型超晶格等 低维材料的发光性质半导体带隙能量 与晶格常数II IV族宽禁带半导体 ZnMgSeTe 5 668 6 37A 2 1 3 6eV ZnO的发展 SiC的发展GaN材料系统 中村修二从1979年在日亚 Nichia 1 9eV 6 2eV AlN AlGaN GaN HFETsSiGeC材料半导体能带结构半导体材料的掺杂材料界面第一布 里源区的能带折叠Energy a bulk b quantum well c quantum wire d quantum boxor dotDensity ofState量子阱 量子线 量子点材料江崎和朱兆祥提出人工剪裁 能 带工程量子阱小于德布洛意波长二维电子气 2DEG 能带工程的提 出超晶格的分类 组份超晶格 掺杂超晶格 应变超晶格 I II III超 晶格掺杂超晶格应变超晶格 1986年应变量子阱 开拓了量子阱材料 选择的自由度 展现优异的新功能 二维电子气结构2DEG 1980年Klizing发现量子霍尔效应1985年获奖S i反型层 GaAs AlGaAs 测量精细结构常数 1982年Laughlin Stoerm er Tsui发现分数量子霍尔效应1998年获奖GaAs AlGaAs 1999Lilly 郎道能级半添充GaAs AlGaAs纵向Rxx各向异性量子霍尔效应E C1E V1E C2E V2E C1E V1E C2E V2E C2E V2E C1E V1type I type II type IIIGaAs AlAs AlSb GaSbInAs GaSb0 00 51 01 52 02 50 540 560 580 600 620 640 66Lattice Constant nm Band GapEnergy eV InAs GaSbAlSb InPAlAs GaAsAlP2 01 00 53 0Wavelength m 6 0InSb typeItypeIItypeIII I II III型超晶格I II III型超晶格及能带结构单量子阱中的能 级量子阱能级与态密度的关系超晶格的发光特征1 01 11 21 31 41 51 6Photon Energy eV PL Intensity arb units 40mW20mW10mW5mW18K1 61 51 41 31 21 11 0 n 0n 1n 2n 2n 1n 0pumping量子阱的光致发光低维半导体材料的制 备技术 分子束外延 MBE MOCVD生长 CBE生长 液相外延生长 LP E 量子线 量子点的制备 自组织量子点的发光性质分子束外延生 长技术MBE MBE生长机制As分子As分子GaAs Ga原子分子束外延生长室Plasma MBE控制柜我实验室购买的MBE设备MOCVD系统方框图MOCVD MOCVD是 金属有机化学气相沉淀 MOCVD系统示意图MOCVD生长机制CBE系统示意图液相外延生长 LPE 量子线 量子点的制备 刻蚀再生长 量子点自组织生长 非平面衬 底的生长 自组织量子线的生长光刻机系统下一代光刻技术 130纳米 技术采用光学光源 1纳米软X光射线 13纳米极紫外 EUVL 电子 束刻刻蚀再生长长量子线的制备自组织量子线生长胶体化学制备的 量子点 胶体量子点 colloidal quantumdots CdSe CdS量子点 a Volmer Weber mode b Stranski Krastanow mode c Frank van derMerve mode外延生长的三种模式GaAs基板GaAs InAs 0ML InAskT静电能 量电子数控制和超低耗电晶体管单电子效应单电子效应e22C单电子 晶体管256G64G16G4G1G64M16M4M1M1061091012記録密度 bit inch2 Year198019902000 xx20202030DRAM 最小素子寸法 nm 300 xx00记录 密度 bit inch2 最小器件尺寸 nm 存储器件发展情况电流控制电子 数控制1存储 100e单电子存储2DEG系统加调制电极 MBE生长异质结 GaAs AlGaAs Cr Cu电极 Vp1 Vp3控制量子点和源漏的耦合 Vp2控制两个量子点的耦 合 Vg1 Vg2 Vg3控制两个量子点的尺寸垂直双势垒异质结量子点 阱 12nm In0 05Ga0 95As 垒9 7 5nm Al0 22Ga0 78As 栅极控制量子点中电子0到几十 展现原子壳层结构 和Hund规则Source Drain Gate10 m400nm1 m AFM像1 m0 4 m0 4 m堆跺量子点2DEG栅电极极 Au 电子窄沟道存 储器件的制做1 5 m S I GaAs 100 sub GaAs100nm Al0 5Ga0 5As10nm Al0 3Ga0 7As20nm GaAs15nm Al0 5Ga0 5As20nm SourceDrainGateAl0 3Ga0 7As20nm V DS V GS GaAs500nm Al0 3Ga0 7As GaAs S L Memory ComponentHEMT ComponentSi Al0 3Ga0 7As50nm Si doped Al0 5Ga0 5AsAl0 3Ga0 7AsGaAs電荷蓄積層50 m SD G光学顕微鏡写真量子点存储器件 Au 半透明电极 n GaAs 100 sub V GIn i GaAs500nm n GaAs500nm Al0 5Ga0 5As50nm Al0 5Ga0 5As10nm GaAs15nm量子点HFET存储器件电荷积累层E FAl0 5Ga0 5As i GaAs n GaAs YHP4280A1MHz速度0 06V sec测量温度77K测定条件电荷写入后Si doped Si doped放电后后2DEG2DEG充放电的能带变化过程量子点和无量子点样 品品C V曲曲线线01200 1 0 0 50 00 51 01 5VG V Capacitance pF nanodot sampledotlesssample V 0 75V beforecharging1sec after charging V 0 25V Chargingoperation bykeeping theV Gat 1 5V for5sec Discharging operationby photo illumination for5sec 量子点的C V曲线0 xx006008001000 3 0 2 0 1 00 01 02 0VG V Capacitance pF 77K QDWL inthe darkunder illumination存储器件充放电后I V曲线2 502550751001251501750 00 51 01 52 02 51 00 80 60 40 20 01 21 40 51 01 52 00 00 2 0 40 60 81 01 21 4I DS mA V DS V a after discharging b aftercharging0 0VDS V I DS mA 2 5充电后放电后室温V GS 1 0V VGS 0 5V VGS 0 0V 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9Time sec after dischargingaftercharging室温下存储效应保持时间 V TH 0 07V1101102103104105106300K 3 20 3 15 3 10 3 05 3 00Time sec after dischargingafterchargingV TH V 1101102103104105106V TH V 300K NanodotsDotless Interfacelevels deep levels光电子集成电路 OEIC DNA器件低维光子材料光子晶体 发 展背景 光子晶体概念与光子晶体全向禁带的形成 光子晶体在光子 器件的应用 光子晶体的典型材料制备方法 小结发展背景 光子具有 独特的优点和重大应用价值 光子速度快 大带宽 光纤通讯THz 电子系统KHz 光子极强的互连能力与并行能力光计算机取代现行 计算机 全光系统和全光芯片的发展光子器件 电子器件70年代的水 平 光子晶体的发展实现光子电路光子晶体的概念和分类 折射率线 性光子晶体 线性折射率变化 和非线性光子晶体 非线性极化率 变化 空间结构一维 二维 和三维光子晶体 堆积方式面心 体 心 简立方等构造晶体光子晶体的概念和发展 研究热潮 Yablonovi tch和John分别于1987年提出光子晶体概念 提供完全不同的机制去 禁锢 控制和操纵光的传播 1991年微波波段的光子晶体结构 Yabl onovite结构 1995年微波波段和2000年GaAs木桩结构 对微加工的工 艺要求很高 材料的制作是瓶颈光子晶体禁带与电子材料禁带 周期 介电常数 和周期势场V 玻色子和费密子 控制自发辐射 倒易空间 布里渊区 色散关系 布洛赫波 掺杂等互用周期结构光子禁带 正方格子中TE与TM不同 三方格子中TE和TM相同物理特性光子晶体禁 带 带隙的三个指标带隙中心位置 宽度和衰减程度 能隙出现处频 率与介电周期性的的晶格长度的关系 c 2a器件应用 缺陷工程 1 线缺陷 光波导Sharp Bending 光子晶体光纤等 2 点缺陷 微腔光子陷阱 零阈值半导体激光器 半导体微腔 单模发光二极 管等 带工程super棱镜 负折射率棱镜 偏光分离器 低损耗微波 天线 高密度色散补偿器件 脉冲压缩器件等 带边工程多维DFB激 光器 大面积耦合振荡器等半导体光子晶体的制备光波导示意图和 模拟图大的多孔硅制作的Mach Zehnder干涉器件多孔光子晶体光纤 传统光纤存在光能损耗与色散 光子晶体保证单模传输 提高功率 没有色散 Glass管直径0 8mm 总的20mm 拉制后光纤约为20 200 m 中间空1 10 截面缩小 1 1000GaInAsP量子阱光子缺陷激光器偏光分离器件 利用TE和TM波 的禁带的不同性 TM全部通过 TE全部反射超棱镜现象在集成器件的 应用 不同波长的经过光子晶体和硅片 波长差1 分离角度50 自然结晶仅为0 3 WDM ADM器件实现用波长分波器的超高密度集 成化负折射率现象 新现象 界面透镜 图象的传输 开放式微腔光 子晶体与VLSI的集成 光子晶体将光子器件与硅器件集成在一起 光 学功能材料的光子晶体的集成一维光子晶体的研究进展 光子晶体没 有缺陷和引入缺陷的光子态密度分布简图 超折色现象对入射光束的 展宽和分光 时间延迟效应在缺陷频率处 光被高度局域 群速度很 低 达到时间延迟作用 双共振二次谐波基波和二次谐波分别位于带 隙的带边位置 光学双稳态缺陷层为非线性介质 缺陷态频率随着局 域光的强度变化 调节入射光频率接近缺陷态频率 对入射光产生 反馈 出现双稳态 光子局域化引入无序典型的光子晶体的制备技术 成本低廉 可大面积制作 光子晶体是特殊材料必须人工制作 精密 机械加工制作 飞秒激光制作 TPA 用多光束相干的方法产生周期 微米结构 各相异性腐蚀 胶体颗粒自组装等弥散聚苯乙烯或二氧化 硅球体 缺点制备缺陷困难 合成蛋白石Sol gel粒子在水中或挥发性溶媒悬浊分散 沉降自组装成面心立方结构 溶媒蒸发 微模型 微制造法 一维光子晶体例如 聚苯乙烯和碲 的多层镀膜飞秒激光制作三维光子晶体 脉冲极短 辐照区能量难以 扩散 双光子聚合法 聚焦可见光聚合物材料 未曝光材料用溶剂溶 解掉全息光刻制作光