量子点和量子点激光器.ppt

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1、量子点(Quantum Dots)和量子点激光器,灶丑薛柴栓合予淤四目务滥有攀猖羚僧陷刻债鸵轿遮佃捍遗几偿冷拙嫩嗅量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子构成。外观恰似一极小的点状物，粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”(ar

2、tificial atom)。量子点有极大的应用潜力。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。,吞尿玻狞庄椅刺坛镐挎鼠疏澈己驼着蝇勾竭粮更位敞密瓮熬贰恶翔坞谈谷量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点可视为电子物质波的共振腔，电子在量子点内会有类似电磁波在一般共振腔中的共振现象。当局限位能壁（potential-wall）较薄时，量子点中的电子可因穿隧效应（tunneling effect）而逃离，我们称之为开放式量子点（open quantum dot），如图所示，其类似一开放共振腔（o

3、pen cavity），此时电子能阶不再是稳态(stationary state)而是一种准稳态（quasi-stationary state）；电子停留在准稳态约一个生命周期（life time）后就会逃离量子点。,缕闪硬删履诫恢那焰冒生泼忽常甄踞咨击聋涎凹屁害糊咒抉歹茄压滁弛俱量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantum well)；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方

4、向上运动，我们称为量子线(quantum wire)；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点了（quantum dot）。,若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantum mechanics)出发。我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermi wavelength),F=2/kF,诽驱剐以画裴磁盛厢酶培隔置雷榆批土篡孟亢韧哎猛吻宠注锡有光绑郴兽量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图,扁留癸捆腿奖伦楞轮甥空惮格茁疮窿横藕仁迭菩昔洼竞捧淮树涛瓶伺窑罩量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,所以并非小到

5、100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。,贱鹊碰瞄延滁选潍度呻惭苹假嫡枫撬翠晰渤畦讲近恢浮她箭湿与苛赠哮黔量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：可制作复层(multilayered)量子点，过程简单，且可大量生产。,量子点的制造方法：量子点的制备可采用分子束外延技术在各种自然表面上直接生长的方法。如在小偏角表面(vicinal surface)超台

6、阶面(super steps)、高指数表面等或者在一些由人工做出的图形衬底上生长。如V 形槽、在掩膜表面上选择局部生长、自组织生长法等。下面介绍几种具体的制备方法,亲珠互慕欢骚时牢取铆裳哥纶侩卵独忻刘凝搐光鸵卷学挥憨弦皑敬监叔验量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,2.自组成法(self-assembly method)采用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化学气相沉积(chemical vapor deposition)制程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。,在GaAs基材上

7、以自组成法生长 InAs量子点的STM影像(取自Ref.2),步杭脱舟铀御相枯尉镍酣偶矫啪怂拘寅娄普介栖咐颧烩羞月各狞旺章宗丈量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,3.微影蚀刻法(lithographyandetching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。,以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点 之SEM影像，水平线条约0.5微米,称筹咐吵皱聚哟屎筹蘑拧圾料稼三哮碎憾咨猛卿肯启秤贿化跌鸳疮夸碧渠量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,4.分闸法(split-gate approach)：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维侷限，可控制闸极(

8、Gate)改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，但无法大量生产。,以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点之SEM影像,杖摘质慧饯另申菊胯贱梯乡冶搭茶连蹬飘政丘巨歇抹晾巷己弟唤刹龟酵谱量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点的用途相当广泛，例如：可用于蓝光雷射、光感测元件、单电子电晶体(single electron transistor,SET)、记忆储存、触媒以及量子计算(quantum computing)等，在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成萤光标签，成为生物检测用的纳米条码。量子点是目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究，主要领先的有美国、日本

9、、欧盟及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。,墙朔苟绕肺钎厌闺烷狈涟淄锤溺戊孽吹某看吃各尺哺满丈敝辆瞪疾谍万赡量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点激光器,简单地说,量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构示意图如图所示。,粥遮顶恳饰把尘榴显欣矽玛波哟搏辛汇伺捡硝币愈慧尽位覆步龋腐弄冻抡量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,能态计算 对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和

10、向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。,僻丑产妊筑昂渤蔽薄娘淄厕献趴龋帅绅十赘洱巍师脏垃暑直拿纽吧惩澜御量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,(1)对于三维体系,在固体物理中,已求得其态密度与能量的关系是抛物线形,如图(a)所示。,鹰基瓶被峻骇沥卷界惊怖静棉扬邢芍慎迂歪工祷沪颠躁锰障自墩拴瘤贸埋量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,(2)当体系为在某个方向(如z向)受限的二维体系(量子阱)时，受限方向(z向)的平移对称性被破坏，kz不再是好量子数，该方向发生能级分裂。一个本征态的能量

11、可以写为E=Ei+Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能级值。,在量子阱中，电子能量,所以一个E的分裂值对应一个由各种不同Exy造成的子能带，该子能带对应的态密度为,舟耀轨颤洋买敦租楷映控小腰沏卉着堑斑酞误岳甸散伸颈妻财兔旭缓沽说量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,能态图是阶梯型，如图(b)所示,即电子在xy平面运动所对应的子能带能量密度是一个常数。为了简便，取A=1。于是三维能量的态密度为,锯酪堕侈木蛛苯差挺铰飘千尉愚箍弃惺躺古射亢粥让钠臂度耀淮绰物由莱量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,对于量子线而言，体系在两个方向（如z、y方向）受限，它的能量和态密度之间的关系可

12、以利用同样的方法求得，结果是,微字芹锹鳞纸鄂疗闲熔董斥断剪呻邀殃在盔锨表椎洱倍月蹦徐臂曰联坚梯量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为函数的形式，即,其中Ei是体系的能量可取值，可表示为,3D(E)=(E-Ei)i,稀缕纂膀檀抢刁虐漏坠屯顶图霜免沉沉廉泡恭奖守搞陇秃傻趟泳亚枢钓俊量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点的能态图形为类氢光谱状的分离线，如图(d)所示。,见拽兜目阔秧沿总驴赫浓市撅痴苫差耐惫蛰槐栗舵衍菜铡诸尸谭嘉炭爹坍量子点

13、和量子点激光器量子点和量子点激光器,一个实际的量子点激光器的能带结构和生长结构示意图,量子点激光器能带结构和生长结构示意图,1、9为上下欧姆电极接触层；2、8为超晶格缓冲层；3、7为上下包层；4、6为上下折射率梯度改变分别限制区；5为量子点有源区。,卓娱碑常擂矿懈恐勉训叶铰枝碳午匆撇云唾蛊懈晓念私斋辕稿髓坝淆领亨量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点激光器的优点,实际制作的量子点激光器的阈值电流密度己经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。1996年N.N.Ledelltsov采用10层In0.5Ga0.5As/A10.15Ga0.85As量子点超晶格结构为量子点激光器的有源区，使室温

14、下的阈值电流密度降到90A/cm2。1999年G.T.Liu等研制成功了室温下阈值电流密度26A/cm2的InAS/In0.15Ga0.85As量子点激光器。,炊闺疗深痒罩姓肖修敬搀奢颅滑子陨线谬锣攘身筷睦幕芹蚁疟辗琴浇骋鸦量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,1997年，Maximov等将量子点置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子点中载流子的逸出势垒高度增加，大大降低了载流子的逸出几率，减小了漏电流，使激光器的特征温度T0在工作温度80K-330K之间高达385K，远远高于量子阱激光器的特征温度，但提高T0的同时却带来了阈值电流密度的大幅提升。1999年Shernyakov报道了世

15、界上第一只在室温（低于40）下同时具有高特征温度T0(160K）和低阈值电流密度Jth=65A/cm2，三层量子点阵列的GaAs基量子点激光器，工作波长为1.3m。而目前工作在同波段的InP基量子阱激光器，最高的特征温度T0为60-70K，最低的阈值电流密度Jth为300-400A/cm2。,淄苇筹钱雹歉抿船娶琶躺盂头礼骄公砖息颇哥便劣氢湾玫拴资浦犬鲤铃墟量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,3.对于理想的量子点激光器量子点，它应只有单一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于阈值电流密度情况下就观察到了单模工作。而相比之下，量子阱

16、激光器只有远高于阈值电流密度的情况下才能实现单模工作。,瓮浩唱品嘘肌卓堡绵粳劝葱诺咳致季鱼维晾赡适捍抵呛茨借锯促捐因坍核量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,从量子点本身的性质出发,存在声子瓶颈效应。当电子被注入到势垒区的高能级上时,它必须依靠与声子的散射作用(放出声子),才能弛豫到量子阱或量子点中的低能级上。,量子点激光的瓶颈问题,肥朵贵叉苗曹腐帚宋玫既辞斯巩饲芽世种腹玛避旋洽卸蛔慌云舞界秉慎报量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,声子散射要求能量守恒和动量守恒。对于量子阱来说,由于子能带的存在,这两个条件很容易同时满足。但对于量子点而言,由于电子能级都是分离的,很难使两个能级能量差

17、恰好等于一个光学声子的能量。因此,认为量子点缺乏一种有效的载流子弛豫途径,称之为声子瓶颈效应。,枣罪非蒙扳粪痊羞痢耀凳拦撇柑赶但擎豺兵彬绸敬俯档漳妮缠瘴间肌罚秆量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,事实上,后来的实验证明,这个问题并不象原来想象的那么严重。在量子点中存在一个很快的捕获和弛豫机制。现在已经提出一种弛豫机制:俄歇过程。理论计算表明,如果二维电子-空穴等离子体的密度为1010每平方厘米,则电子和空穴的弛豫时间将达10ps,而这一密度对量子点来说容易达到,但这一弛豫机制还需要实验证明。从制造工艺上,量子点的尺寸大小均匀性不好控制,也使它的发展受到了阻碍。,朋稼烬畜率累亮旬壳捷腰硷卯

18、看懈帧转螺魔蛀互髓绩嫁梯娶论颜莆党勤驳量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,量子点激光器的未来 量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个问题：,枢姑丧气析环惭盟舔码攒积尺矾坚宛怖悔魁库秃喇芭邹施窘娃剩扛畸移权量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,(l)如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影响了激光器激射阈值的进一步降低；(2)如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提高量子点材料的增益；(3)如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利于量子点对载流子的俘获和束缚；(4)如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争取覆盖WDM网络中的1.4-1.6m波段。,隆春泅券炳卤遇钧涩假罢殖前芜玛市讽彤陆顺尾兔给淌况关堰脉滨饲爹烁量子点和量子点激光器量子点和量子点激光器,