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1、纳米半导体材料及其纳米器件研究进展续王占国,,,中国科学院半导体研究所半导体材料科学实验室北京信箱北京、一接上期第页体材料如垒区长而窄“”的窄禁带半导体材料如的量子线岛纳米攀件研制进展和发展趋势,区和带有金属接触电极的源与漏区组成满人们预测到年硅的栅长可达到足乙￡要求是库仑排斥能或充电能,定义,。。或许更小这很可能是一个临界尺寸这时不仅见下其工作原理是在零偏或一个小偏置电压加、,要遇到高电场下硅和二氧化硅的雪崩击穿高集成在器件两端时势垒将阻止源区的电子通过岛区度时的热耗散问题、体性质消失和掺杂不均匀带来电
2、流为零矢当偏置电压增加到使阱中一个未占据、,的问题电子隧穿出现薄氧化层的不平坦以及互联态的能量处于源区导带占据态的能量范围内时器,,,延迟等难以克服等困难而且随集成度提高价格件则处于共振态或开态电流通过岛区并流出漏。。迅速,开发小于区否则器件将处于非共振态或关态与下降的规律也将不再成立其次,。,,工艺技术所耗资金也恐难以承受因不同它是一个三端器件由栅电压控制开关和,,。而基于纳米半导体材料的固态量子器件的研究受放大作用其工作原理与类似,、,,到了重视并在纳米电子光电子器件及其集成研可有多重开启态这同势阱中
3、量。制方面取得了很大进展。子化能态相关若乙￡大于源区导带边同之能量,,“差即势阱中的不同能级将依次在栅压作用下同典型纳米半导体器件的工作原理简介,形成多重,源区导带电子占据态共振开关态这是纳米量子器件可简单地分为纳米电子器件和纳。米光电子器件。纳米电子器件包括共振隧穿器件与通常的不同之处,、量子点器件和单电子器件单电子和单电子晶体管之间的差别在。,,晶体管和单电子存储器等。纳米光电于小岛的电子能态不同首先小岛沿,子器件,则着重介和方向的尺寸可能不同故电子量子化分立绍基于应变自组装的量子点激光,乙￡二,￡乙
4、￡器。能级沿不同方向也是不同的即乃和不同进而,事实上,当一个额外的附加电子纳米电子器件如第个电子进入并不是处,当电子被受限于两个空间相距很近的势垒之间于空态的小岛时,的岛,它必需克服原有岛上的个电子的静电排斥能区时所遇到的两个基本的量子力学效应是。,,电子在势阱中能量量子化,形成分立的量子这个能量称作显然总能量差即岛上态,设量子化分立能级的能量差为乙￡势垒越个电子最低能态与第个电子的最低量子能态,。,之差是￡和乙￡相对大小依赖于岛的形薄占据低于势垒高度能态的电子有一状和尺寸,乙“盆,成。为岛的最小尺寸定的
5、隧穿进入岛区或离开岛区的几率这种情况仅,,当另一侧存在具有相同能量的空态时方能实现。另一方面也随岛的尺寸减小而增加但服从。,,。关系是岛的有效半径等效于岛显然能量的量子化和隧穿强烈地影响着通过量子凡,点的电流。的最长边换句话说随岛上移动电子对间平均共振隧穿距离的减小而增大。若岛的一个方向较长,二极管的结构是由宽禁带半导笋手举发术君拓李声欢二口一丰四刀,那么电子将沿该方向分布开来使变小相一〔微腔激光器和光子晶体哪,,乙￡反若岛只要有一个方向很小那么就会很光学微腔是指具有高。,大因为和乙￡的相对大小控制着器件
6、的行为品质因子而尺寸与谐振光波长几相比拟的光学,岛的形状又强烈地影响着和的相对大小因。、材料微型谐振器随着生长技术。而岛的形状是区分上述三种纳米器件的基础综,和现代微细加工技术发展设计并制造有实用价值的光学微腔己成为可能,并在低无闽值激光器上所述①是由包含大量电子的窄而研制方面取得了很大进展。“”,乃￡,,长的纳米半导体量子线岛组成它满足大家知道当光腔尺度与光波长可比拟时关系腔内真空场的光学模式数则大大减小个光学模,,。②零维的三个方向都很小可由金属和半式占有相当于大小体积为介质有效折射。,,,。会导体材
7、组成乙气。气乙都大充电能也很大。,,率在理想情况下若用一个边长为半波长周界曲线满足乙￡二关系,为全反射壁的立方微腔有可能将一个单模光场分。③和服从乒关系单电子器件离,出来这为实现低无闽值激光器的研制提供。的工作原理是基于库仑阻塞效应。了科学依据量子点激光器在激光器理论中,自发发射祸合系数口定义为理论分析指,,出量子线特别是量子点激光自发发射祸合到单一激射模式的能量与自发发射总,。,器写量子阱激光器相比将有更低的阑值电流密一一一’之间能量之比常规的激光器的口在,度更高的微分增益和更窄的光谱带宽以及最高的,。
8、效率低闽值高微腔激光器的户值可接近在。,特征工作温度具体地计算表明量子阱激光器闽、,口值接近品质因子很高的微腔中自发发射的,值电流可低达己基本实现而对量子光子被保留在腔内,使自发发射成为可逆过程,从,。线激光器阂值电流等人预言可低达。,衅而有可能实现无粒子数反转的激射当刀时,对于零维系统妙’等人曾计算了一,功率电流曲线不再有表示阂值的拐点这就是所,量子点激光器的闽值电流计算考虑了量子点谓的无阂值激光器。一般口与腔的大小、形状和
