PDF《半导体量子点及其应用（ ！ ）》

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期评! 述 半导体量子点及其应用(!) ! 赵凤瑷! ! 张春玲! ! 王占国'

(中国科学院半导体研究所! 半导体材料科学重点实验室! 北京! !! 国家自然科学基金 (批准号: 、 国家重点基础 研究发展计划 (批准号: 和国家高技术研究发展计 划 (批准号: 资助项目 收到初稿, 修回, 第 部分刊登在 《物理》 #$$% 年第 % 期第 #%* 页'

! 通讯联系人0 123456: 7894:8;

0 ?=350 4@0 @: %! 半导体量子点的应用 理论分析表明, 基于三维受限量子点的分离态 密度函数的量子器件, 以其独特的优异电学、 光学性 能和极低功耗, 在纳米电子学、 光电子学, 生命科学 和量子计算等领域有着极其广泛的应用前景, 本文 仅就量子点在量子点激光器、 量子点红外探测器、 单 光子光源、 单电子器件和量子计算机等方面的应用 作一简单的介绍0 !0 # 半导体量子点激光器 量子点激光器与现已发展得很成熟的量子阱激 光器的惟一不同是量子点激光器的有源区是由量子 点构成的, 而不是量子阱0 由于二者的结构相似, 工 艺兼容, 加之量子点激光器具有量子阱激光器无与 伦比的优异性能, 故量子点激光器的研制是量子点 应用的首选器件0 自从 (**% 年第一个基于应变自组 装A:-?B ,4-? 量子点的激光器研制成功以来, 研究 进展十分迅速, 特别在大功率量子点激光器的研发 方面取得了突破, 工作寿命已达数千小时0 有关量子 点激光器的研究进展请参阅王占国的综述文章 [ )] , 这里仅就长波长单模量子点激光器近年来的研究进 展作一简单介绍0 为了克服光通信用 (0 #3 A:,4-?CB A:C 量子阱 激光器 !$ 低导致的波长漂移等缺点, 近年来, 理论 预测具有高 !$ 的,4-? 基(0 #3 量子点激光器的 研制受到人们广泛地重视, 研究的难点主要是如何 制备足够大而又无缺陷的 A:-? 量子点0 #$$( 年, D5E 和,F8:4 [ )] 等将四层 A:-? 量子点置于应变 A:,4-? 量子阱中形成有源区并配合 &

#3 脊形波导, 在腔长 (0 &

33, 温度达 ($$G 时, 激射波长仍在 (H #3 附近, 基态激射连续波单面输出功率 (&

3I;

室温下微 分增益 &

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J , 单面输出功率 &

$3I;

室温到 ($$G 时, 基态连续波激射特征温度 !$ K .

)L0 #$$# 年, MN@N=O5: 和P=QQ= [%$] 以两层 A:-?B ,4-? 量子点为有 源区, 并对 ,4-? 势垒层进行 C 型掺杂, 制成的量子 点激光器当温度达到 (+.G 时, 仍保持基态激射波 长(0 #3;

在$―)$G 时的特征温度达 (+(L0 目前 ,4-? 基上的 ,4A:R-? [%(] 量子点和 A:C 基量子点的 光致发光谱峰值波长已扩展到光纤通信的另一个窗 口(0 &

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#3 附近, 显示了它们作为光纤通信光源的 重要应用前景0 半导体激光器研制的另一个热点就是垂直腔面 发射激光器 (STM1U)

0 STM1U 具有光束质量好, 低 电流工作, 面发射便于器件平面集成和光耦合应用 等特点0 若将 STM1U 的量子阱有源区用单层或多层 量子点代替, 就可制成量子点 STM1U, 预料它会有 更优越的性能0 自从 (**+ 年M45VF 等人 [%#] 研制成功 第一只室温电注入工作的量子点 STM1U 以来, 量子 点STM1U 的研制进展很快0 (*** 年, 德克萨斯大学 的WFE 和XEYY4O=<

[% ] 在,4-? 衬底上,以三层 A:2 ,4-? 量子点为有源区制成的连续波基态激射量子 点垂直面发射激光器, 室温工作时激射波长(H $+#3, 阈值电流密度 )*&

-B @3#

0 #$$$ 年, UFVV 和U=>

=:V?FZ [%%] 首次在,4-? ($$( ) :型衬底上以三层 A:-?B ,4-? 量子点为有源区制成了量子点垂直面发 射激光器0 室温工作波长 (0 #3, 阈值电流密度 #)(#-B @3#

0 #$$# 年, 这一小组研制的 A:,4-?B ,4-? 量子点 STM1U 连续波激射最大功率 $0 )3I, 微分 效率达 +$J[%&

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0 计算表明, 量子阱激光器阈值电流可低达 $H (3- (已基本实现)

0 对于量子点系统, [543FVF [%+] 等曾计 ・ $ % &

・ 物理 算了 量子点激光器的阈值电流密度, 计算考虑了量子点的尺寸涨落, 阈值电流密度可低 达)*%( +,- . 但由于实际应用中所提到的量子点, 一 般是利用应变自组装 (/0 生长模式) 技术制备的, 受到量子点形状、 尺寸和分布的不均匀性以及量子 点的面密度和体密度低等的影响, 目前量子点激光 器的阈值电流密度大都在每平方厘米百安培量级. 采用不同取向和图形化衬底以及对生长工艺进行优 化, 可在一定程度上改善量子点的性质, 然而, 尚未 获得理想结果. !. # 量子点红外探测器 红外探测器由于在夜视、 跟踪、 医学诊断、 环境 监测和空间科学等方面的广泛应用, 受到人们重 视[*1] . 目前, 234567(846) 红外探测器在技术应用 上占主导地位, 这种探测器的优点是具有较高的探 测率和响应率, 它主要缺点是难以获得大面积电学、 光学性质均匀的

234567 晶片, 制造红外焦平面阵 列探测器不易. 近年来, 由于分子束外延技术的发 展, 基于量子阱子带跃迁的 ! %&

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量子阱红 外探测器 (:;

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) 的研制取得了很大进展, 并已成 功地用于红外相机和研制大面积红外焦平面阵列 (#'

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) 有很多优点: ()) 量子点 探测器可以探测垂直入射的光, 无需像量子阱探测 器那样要制作复杂的光栅;

(-) 量子点分立态的间 隔大约为 ?@―1@ ,7A, 由于声子瓶颈效应, 电子在 量子点分立态上的弛豫时间比在量子阱能态上长, 这有利于制造工作温度高的器件;

(B) 三维载流子 限制降低了热发射和暗电流;

(*) 探测器不需冷却, 这将会大大减少阵列和成像系统的尺寸及成本. 因此, :>

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已经成为光探测器研究的前沿, 并取得了 重大进展 [*C―?D] . *. -. )E 垂直输运探测器 )CCC 年[?)] , '

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和IF JJ +F KL 等研制了由 十层 #$%&

( ! (%9) %&

量子点为有源区的红外探测 器. 探测波长范围 D―=!,;

! M *@0 时, 响应率 )@― 探测率 ()―)@)N )@C +,2O) ( - ( ;

, 光电导 增益 M )-. 它是在半绝缘 ! %&

()@@) 衬底上生长 )@ 层掺 /G 的#$%&

量子点 ( #$%&

厚度为 8P) , 以非掺杂 ! %&

为势垒, 形成垂直的 $QGQ$ 结构 (量子点掺杂浓度 # M (@. ?―))N )@)= +, R B , 非掺杂 ! %&

间隔层的厚度为 , 这一结构处于 高掺 杂的! %&

层之间(掺杂浓度#M)N)@)C +, R B ) . 在#$%&

( ! (%9) %&

量子点中掺 /G 以提供吸 收用的载流子, 若在这一结构中引入 %9! %&

势垒 层, 还可减小由热激发导致的暗电流, 有助于提高器 件性能, 并可以调制垂直输运 :>

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的响应峰波长 . 因此, 可以利用势垒层把两种异质结 结合起来形成双色探测器, 即在同一外延样品中, 有 势垒层的量子点可用于中长波探测, 没有势垒层的 量子点用于长波长探测. 它比单色探测器提供更多 的信息和更高的分辨率, 同时, 它还可用于成像系 统. -@@) 年, /JGSS 等人 [?*] 研制的 量子点 中红外探测器也是以 )@ 层 量子点为有 源区, 其结构如图 C 所示. 在半绝缘 ! %&

()@@) 衬底 上,先生长@底接触层,掺杂浓度为-N)@)= +, R B ;

接着生长 -?@T 非掺杂 ! %&

层;

在! %&

层的上面生长 -. - 8P 掺/G 的#$%&

量子点, 掺 杂浓度为 ) N )@)= +, R B , 并以 -?@T 非掺杂 ! %&

为 间隔层, 这一结构生长十个周期;

然后再生长 *@@T %9! %&

势垒层;

最后是 顶接触层. 该 探测器的工作温度范围是 1=―)?@0, 当!M)@@0, $U M @. )A 时, %5 M ). 1H%;

加入 %9@. B ! @.

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电流阻 挡 层后, ! M )@@0, $U M @. BA时, 峰值探测率&

! 达BN)@C +,2O) ( - ( ;

, 峰值响应率达 -,%( ;

, 光电导 增益 M )=. 图CE 垂直 $QGQ$ 探测器结构示意图 *. -. -E 侧向输运探测器 上述探测器结构中载流子的输运方向平行于生 长方向, 它的响应率依赖于量子点中的掺杂能级, 但 通过量子点中掺杂达到需要能级是很困难的;

同时, 自组装量子点无论在空间排列, 还是尺寸大........