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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,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) 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 HFETs SiGeC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 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各向异性 量子霍尔效应 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 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 MBE生长机制 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 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 quantum dots) CdSe-CdS量子点 堆跺量子点TEM图 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 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 半导体激光器应用背景 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) 双异质结激光器 限制载流子和光波采用异质结 单量子阱激光器 Al0.4Ga0.6As/Al0.2Ga0.8As/GaAs分别限制(SCH)单量子阱激光器 阱和垒作为波导层 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。 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 分布反馈式(DFB)和分布布拉格反射式(DBR)半导体激光器 实现动态单纵模工作 更宽温度和电流,抑制模式跳变,改善噪音特性 单色性和稳定性更好 大功率无铝激光器 串极半导体激光器 改变阱(GaInAs)和垒(AlInAs)的厚度,可miniband改变间隔 Miniband可承受更高的电流和功率 750毫瓦,7.6微米,室温 斜跃迁结构 4.3微米,8.4微米 30mW 线宽0.3cm-1 125K 垂直跃迁结构 4.8微米 30mW 线宽0.3cm-1 200K 氮化镓半导体激光器 1996年,CW@T233K 1997年InGaN,CW@300小时,现在LD@10000小时 长波长氮化物VCSEL 室温1310纳米 室温自组织量子线激光器 833-868纳米 (775)B 半导体激光器制造工艺 锑化物红外探测器 RT 焦平面红外探测器 雪崩光电二极管(APD) 共振腔结构光电探测器 InP/InGaAsP

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