光电子低维结构材料和器件的发展
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GaAs 300nm S.I. GaAs(100) sub.
第五十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
2.0ML 2.0ML
2.0ML 2.0ML 2.0ML
1.5ML 1.5ML
1.5ML
1.5ML
2.0ML
垂直堆垛量子点
控制技术 生长表面
1st
3nd
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs GaAs GaAs
1954年太阳能电池发明
1955年发光二极管发明 结晶生长技术迅速发展 1958年集成电路开发
1962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）
1973年液晶显示器发明
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年蓝色发光二极管（日亚）
Photon Energy
第五十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
小结
• 能带工程概念的提出对现代科学技术产 生了巨大的影响
• 对材料一维,二维和三维方向的限制,产生 了量子阱,量子线和量子点材料
• 低维结构MBE、MOCVD的制备技术 • 量子点的发光性质 • 低维量子结构器件的基础
第五十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
第一布里源区的能带折叠
第十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱,量子线,量子点材料
Energy
(a) bulk
(b) quantum (c) quantum (d) quantum
well
wire
box or dot
Density of State
第十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
E C2
GaSb
EC1
EV2
InAs
EV1
type III
第二十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
I，II，III型超晶格及能带结构
第二十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
单量子阱中的能级
第二十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱能级与态密度的关系
第二十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第四十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
刻蚀再生长
第四十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子线的制备
第四十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
自组织量子线生长
第四十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
IT
电学器件
Байду номын сангаас
光电子器件
光子器件
第三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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）
第四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
1946年计算机的发明
1948年晶体管的发明
1951年半导体异质结理论的提出
第五十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
PL Intensity (arb. units)
光致发光谱
GaAs
60K
WL EX QD1 2 3 4 20K
700 800 900 1000 1100 1200 1300 Wavelength (nm)
第五十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
CAP层变化的光致发光
第六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体带隙能量与晶格常数
第七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
II－IV族宽禁带半导体
• ZnMgSeTe
• 5.6686.37A
• 2.1-3.6eV
• ZnO的发 展
• SiC的发 展
第八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
GaN材料系统
• 中村修二从 1979年在日 亚（Nichia）
0.5
0.0 0.54
0.56
type III
GaSb
InAs
InSb
0.58 0.60 0.62 0.64
2.0 3.0 6.0
0.66
Lattice Constant (nm)
E C2
EC1 GaAs AlAs
EV1 EV2
type I
E C2
AlSb
E C1
GaSb
E V2
E V1
type II
能带工程的提出
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）
第十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
掺杂超晶格
第十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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。
第十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
二维电子气结构2DEG
• 1980年Klizing发现量子霍
尔效应1985年获奖Si 反 型层@GaAs/AlGaAs，
测量精细结构常数 • 1982年
Laughlin,Stoermer,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
PL Intensity
Temperature (K)
500 300 200 100
50
10
5-stacked nanodots
single layer nanodots
1
18K
0.1
0.01 0
1.0 1.2 1.4 1.6 Photon Energy (eV)
5
10
15
20
1000/T (K-1)
CBE系统示意图
第三十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
液相外延生长（LPE）
第三十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第四十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
光刻机系统
第四十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
• 1.9eV6.2eV,AlN,
• AlGaN/GaN HFETs
第九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
SiGeC材料
第十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体能带结构
第十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体材料的掺杂
第十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
材料界面
第十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
1996年DVD商品化
光电子器件发展简史
第五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
边和垂直发射激光器
• 为了达到受 激发射， 结构加上 谐振腔，使 放大的工作 获得正反馈 形成激光振 荡
第六十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
光电子低维结构材料和 器件的发展
第一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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，MOCVD）
• 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）
第二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
2.61010/cm2
2.71010/cm2
5th
2.51010/cm2
第五十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
堆跺量子点TEM图
第五十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子点尺寸对发光的影响
理想的势能
第五十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
两 种 量 子 点 的 光 致 发 光
Integrated PL Intensity (arb.units)
低维器件的发展
• 1995年〖半导体器件指南〗：67种＋110变种
• 光电子器件 激光器，探测器，太阳能电池等
• 电学器件
MODFET，HBT，HFET，存储器件等
• 光子晶体
第五十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体激光器应用背景
第五十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
第六十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
各向异性
第二十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子霍尔效应
第二十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Band Gap Energy (eV) Wavelength (m)
I,II,III型超晶格
2.5
AlP
0.5
AlAs
2.0
type I
AlSb
1.5 GaAs
InP
type II
1.0
1.0
• Al0.4Ga0.6As/A l0.2Ga0.8As/Ga As分别限制 （SCH）单 量子阱激光 器
• 阱和垒作为 波导层
第六十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
多量子阱激光器
• 激光器性能 提高：阈值 电流降低， 光增益谱变 窄效率提高， 积分增益增 大，温度性 能提高。
第六十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Photon Energy (eV)
第二十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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（LPE） • 量子线、量子点的制备 • 自组织量子点的发光性质
第二十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
分子束外延生长技术
PL Intensity (arb.units)
2DEG recombination in 5nm sample
Blue-shift of ground state QD peak in the 50nm sample
Cap
layer WL i-GaAs 5nm
QD
50nm
0.8
1
1.2
1.4
1.6
第六十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱激光器结构
1978年，第一 只 AlGaAs/GaAs 量子阱激光器 问世，量子阱 光电子时代到 来。
第六十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
双异质结激光器
• 限制载流 子和光波 采用异质 结
第六十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
单量子阱激光器
da0/a07.2%
InAs dots
GaAs GaAs基板 InAs < 1.7ML
GaAs
GaAs基板 InAs 1.7ML
第四十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
RHEED在位监测外延生长
电子束
荧光屏
二维生长
三维生长
第四十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
InAs量子点的自组织化
InAs成長膜厚 1.6ML~4.0ML
激光器泵浦铒光纤
• 1986年掺
铒光纤放 大器
（EDFA ） • 铒离子亚 稳态到基 态差 （1525－ 1565纳 米）
第六十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子限制效应在激光器的应用
波长 (m)
电流密度 (A/cm2) A. Asada, Y. Miyamoto, and Y. Suematsu, IEEE J. Quantum Electron 22 (1986) 1915.
超晶格的发光特征
第二十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱的光致发光
18K
n=0
PL Intensity (arb. units)
pumping
n=2
n=1
n=0
n=1 40mW 20mW
n=2 10mW
5mW
11..00
11..11
11..22
11..33
11..44
11..55
11..66
胶体化学制备的量子点
• 胶体量子 点 (colloidal quantum dots)
• CdSe-CdS 量子点
第四十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
外延生长的三种模式
第四十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
InAs/GaAs量子点的生长
GaAs
GaAs基板 InAs = 0ML
InAs wetting layer
MBE
第二十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MBE生长机制
As分子 Ga原子
As分子
GaAs
第三十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
分子束外延生长室
第三十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Plasma MBE控制柜
第三十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
我实验室购买的MBE设备
第三十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD系统方框图
第三十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD
• MOCVD是金属有机化学气相沉淀。
第三十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD系统示意图
第三十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD生长机制
第三十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
第五十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
2.0ML 2.0ML
2.0ML 2.0ML 2.0ML
1.5ML 1.5ML
1.5ML
1.5ML
2.0ML
垂直堆垛量子点
控制技术 生长表面
1st
3nd
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs GaAs GaAs
1954年太阳能电池发明
1955年发光二极管发明 结晶生长技术迅速发展 1958年集成电路开发
1962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）
1973年液晶显示器发明
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年蓝色发光二极管（日亚）
Photon Energy
第五十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
小结
• 能带工程概念的提出对现代科学技术产 生了巨大的影响
• 对材料一维,二维和三维方向的限制,产生 了量子阱,量子线和量子点材料
• 低维结构MBE、MOCVD的制备技术 • 量子点的发光性质 • 低维量子结构器件的基础
第五十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
第一布里源区的能带折叠
第十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱,量子线,量子点材料
Energy
(a) bulk
(b) quantum (c) quantum (d) quantum
well
wire
box or dot
Density of State
第十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
E C2
GaSb
EC1
EV2
InAs
EV1
type III
第二十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
I，II，III型超晶格及能带结构
第二十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
单量子阱中的能级
第二十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱能级与态密度的关系
第二十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第四十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
刻蚀再生长
第四十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子线的制备
第四十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
自组织量子线生长
第四十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
IT
电学器件
Байду номын сангаас
光电子器件
光子器件
第三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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）
第四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
1946年计算机的发明
1948年晶体管的发明
1951年半导体异质结理论的提出
第五十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
PL Intensity (arb. units)
光致发光谱
GaAs
60K
WL EX QD1 2 3 4 20K
700 800 900 1000 1100 1200 1300 Wavelength (nm)
第五十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
CAP层变化的光致发光
第六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体带隙能量与晶格常数
第七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
II－IV族宽禁带半导体
• ZnMgSeTe
• 5.6686.37A
• 2.1-3.6eV
• ZnO的发 展
• SiC的发 展
第八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
GaN材料系统
• 中村修二从 1979年在日 亚（Nichia）
0.5
0.0 0.54
0.56
type III
GaSb
InAs
InSb
0.58 0.60 0.62 0.64
2.0 3.0 6.0
0.66
Lattice Constant (nm)
E C2
EC1 GaAs AlAs
EV1 EV2
type I
E C2
AlSb
E C1
GaSb
E V2
E V1
type II
能带工程的提出
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）
第十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
掺杂超晶格
第十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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。
第十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
二维电子气结构2DEG
• 1980年Klizing发现量子霍
尔效应1985年获奖Si 反 型层@GaAs/AlGaAs，
测量精细结构常数 • 1982年
Laughlin,Stoermer,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
PL Intensity
Temperature (K)
500 300 200 100
50
10
5-stacked nanodots
single layer nanodots
1
18K
0.1
0.01 0
1.0 1.2 1.4 1.6 Photon Energy (eV)
5
10
15
20
1000/T (K-1)
CBE系统示意图
第三十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
液相外延生长（LPE）
第三十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
第四十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
光刻机系统
第四十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
• 1.9eV6.2eV,AlN,
• AlGaN/GaN HFETs
第九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
SiGeC材料
第十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体能带结构
第十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体材料的掺杂
第十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
材料界面
第十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
1996年DVD商品化
光电子器件发展简史
第五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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
边和垂直发射激光器
• 为了达到受 激发射， 结构加上 谐振腔，使 放大的工作 获得正反馈 形成激光振 荡
第六十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
光电子低维结构材料和 器件的发展
第一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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，MOCVD）
• 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）
第二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
2.61010/cm2
2.71010/cm2
5th
2.51010/cm2
第五十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
堆跺量子点TEM图
第五十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子点尺寸对发光的影响
理想的势能
第五十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
两 种 量 子 点 的 光 致 发 光
Integrated PL Intensity (arb.units)
低维器件的发展
• 1995年〖半导体器件指南〗：67种＋110变种
• 光电子器件 激光器，探测器，太阳能电池等
• 电学器件
MODFET，HBT，HFET，存储器件等
• 光子晶体
第五十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
半导体激光器应用背景
第五十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
第六十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
各向异性
第二十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子霍尔效应
第二十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Band Gap Energy (eV) Wavelength (m)
I,II,III型超晶格
2.5
AlP
0.5
AlAs
2.0
type I
AlSb
1.5 GaAs
InP
type II
1.0
1.0
• Al0.4Ga0.6As/A l0.2Ga0.8As/Ga As分别限制 （SCH）单 量子阱激光 器
• 阱和垒作为 波导层
第六十五页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
多量子阱激光器
• 激光器性能 提高：阈值 电流降低， 光增益谱变 窄效率提高， 积分增益增 大，温度性 能提高。
第六十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Photon Energy (eV)
第二十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
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（LPE） • 量子线、量子点的制备 • 自组织量子点的发光性质
第二十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
分子束外延生长技术
PL Intensity (arb.units)
2DEG recombination in 5nm sample
Blue-shift of ground state QD peak in the 50nm sample
Cap
layer WL i-GaAs 5nm
QD
50nm
0.8
1
1.2
1.4
1.6
第六十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱激光器结构
1978年，第一 只 AlGaAs/GaAs 量子阱激光器 问世，量子阱 光电子时代到 来。
第六十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
双异质结激光器
• 限制载流 子和光波 采用异质 结
第六十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
单量子阱激光器
da0/a07.2%
InAs dots
GaAs GaAs基板 InAs < 1.7ML
GaAs
GaAs基板 InAs 1.7ML
第四十八页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
RHEED在位监测外延生长
电子束
荧光屏
二维生长
三维生长
第四十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
InAs量子点的自组织化
InAs成長膜厚 1.6ML~4.0ML
激光器泵浦铒光纤
• 1986年掺
铒光纤放 大器
（EDFA ） • 铒离子亚 稳态到基 态差 （1525－ 1565纳 米）
第六十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子限制效应在激光器的应用
波长 (m)
电流密度 (A/cm2) A. Asada, Y. Miyamoto, and Y. Suematsu, IEEE J. Quantum Electron 22 (1986) 1915.
超晶格的发光特征
第二十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
量子阱的光致发光
18K
n=0
PL Intensity (arb. units)
pumping
n=2
n=1
n=0
n=1 40mW 20mW
n=2 10mW
5mW
11..00
11..11
11..22
11..33
11..44
11..55
11..66
胶体化学制备的量子点
• 胶体量子 点 (colloidal quantum dots)
• CdSe-CdS 量子点
第四十六页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
外延生长的三种模式
第四十七页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
InAs/GaAs量子点的生长
GaAs
GaAs基板 InAs = 0ML
InAs wetting layer
MBE
第二十九页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MBE生长机制
As分子 Ga原子
As分子
GaAs
第三十页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
分子束外延生长室
第三十一页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
Plasma MBE控制柜
第三十二页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
我实验室购买的MBE设备
第三十三页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD系统方框图
第三十四页，编辑于星期六：十六点 二十八分。
MOCVD
• MOCVD是金属有机化学气相沉淀。
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MOCVD系统示意图
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MOCVD生长机制
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