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时间:2019-05-12
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1、纳米技术及其应用第六章量子阱、量子线、量子点简介第6章量子阱、量子线、量子点简介量子阱、量子线和量子点的概念量子点的制备方法单电子晶体管§6.1量子阱、量子线和量子点的概念§6.2量子阱中的量子尺寸效应§6.3量子点的类型及制备方法§6.4量子点器件简介第6章§6.1量子阱、量子线和量子点的概念Back§6.1量子阱、量子线和量子点的概念随着对半导体微结构的研究深入,以及半导体超精细加工(如电子束光刻)技术的发展,人们已经可以制成一类新的半导体结构,即半导体纳米级结构。由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长度相比拟,这类结构中的电子只能处于量子化的态上。§6.1量子阱、量子线
2、和量子点的概念量子阱量子阱——半导体中的二维电子气:电子一个方向的自由度被限制,而在其它两个维度上可自由或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为量子阱。★如何获得上述结构呢?具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱§6.1量子阱、量子线和量子点的概念量子阱结构:衬底abABEgE'gabE'gEg采用分子束外延技术可以制备!量子阱的能级图§6.1量子阱、量子线和量子点的概念分子束外延技术的原理MBEGaAs-AlxGa1-xAs原理图加热器BeAlAsGaSi喷射炉挡板分子束衬底外延生长区§6.1量子阱、量子线和量子点的概念超晶格和多量子阱结构:两种(或两种以上)超薄的半导体层(每层厚几埃
3、到几百埃)交替生长形成的多层结构,就是通常所说的超晶格或多量子阱结构。多量子阱超晶格势垒较窄势垒较宽§6.1量子阱、量子线和量子点的概念常见的2DEG结构:调制掺杂技术制造的高迁移率晶体管示意图§6.1量子阱、量子线和量子点的概念量子线衬底量子线——半导体中的一维电子气:电子只能在一个维度上自由运动,而其它两个维度被限制。具有这种电子系统的结构称为量子线。§6.1量子阱、量子线和量子点的概念量子线的其它制备方法三种量子线的制备方法(量子线的界面质量不相同)§6.1量子阱、量子线和量子点的概念量子点量子点——半导体中的零维电子气:电子在三个维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称为量
4、子点。量子点通常是指由人工制造的小系统,尺寸为10nm~1μm,其中含有1~1000个可以被控制的电子。§6.1量子阱、量子线和量子点的概念点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围,自由电子数目非常少(在一个到几百个之间)。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原子,量子点也称为人造原子。类似量子线,采用刻蚀或者分裂栅技术也可以制造量子点。量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性,称为充电能,这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。第6章§6.2量子阱中的量子尺寸效应Back§6.2量子阱中的量子尺
5、寸效应求解一维无限方势阱条件下的波动方程,可以得到电子能量本征值为:E1E2E3一维无限方势阱图式中,n=1,2,3,…………----式(1)0LzZEm为电子质量;Lz为势阱宽度;n为量子数;一维势阱中电子的能量是量子化的,能量不连续,能量与量子数n2成正比!§6.2量子阱中的量子尺寸效应能级间隔与势阱宽度的平方成反比,Lz越小,能级间隔就越大。从此可见,只有势阱宽度较小时(薄膜较薄的时候),才能有显著的量子效应。由式(1)----式(2)相邻能级间隔为:具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱第6章§6.3量子点的类型及制备方法Back§6.3量子点的类型及制备方法1、量子点的类型按材料
6、分元素半导体量子点化合物半导体量子点金属量子点按几何形状分箱形盘形球形四面体形外场诱导形……§6.3量子点的类型及制备方法2、量子点的制备在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电极,加负压将电极下面的二维电子气耗尽,只有在栅的间隙区留下电子,从而获得量子点。(1)在二维电子气系统上加调制电极n1n2Vp1Vg1Vp2Vg2Vp3Vp1Vp2Vp3Vg3Vg3GaAs/AlGaAs异质结片子Cr-Cu电极Vp1和Vp3用来控制量子点与源和漏之间的耦合;Vp2控制两个量子点之间的耦合;Vg1、Vg2和Vg3分别来控制两个量子点的尺寸(决定电子数的多少)§6.3量子点的类型及制备方法
7、该方法的优点是:可以方便的控制量子点的尺寸、制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面,因而量子点的质量高。缺点是:只能为一种载流子,不能同时为电子和空穴提供尺寸限制,所以只适用于制造低维电子器件。§6.3量子点的类型及制备方法外延生长:同质外延异质外延(2)用分子束外延进行自组织生长晶格失配度晶格失配度:薄膜的点阵常数衬底的点阵常数§6.3量子点的类型及制备方法异质材料的外延生长模式有三种:(2)用分子束外延进行自组织生长(a)一层接一层的二维生长模式;(
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