温度和载流子激发密度对量子点超快光致发光影响.pdf

南开大学硕上论文 生长制备低维结构材料，如GaA“AlGaAs二维电子气等超晶格、量子阱材料。然后 用高分辨电子束曝光直写和湿法或千法刻蚀或聚焦离子束注入隔离制备量子点 (线)，也就是常说的所谓“自上而下”的制备技术。原则上，该方法可以制备最小 特征宽度为10m的结构，常被用来制备二维点阵和纳米分离器件，但难用于三维 点阵结构的制备。另外，加工过程带来的损伤和杂质污染会使量子点的电学和光学 性质退化，这是在这种技术实用化前必需要克服的难题。 (2)微细加工后再进行微结构生长技术。首先利用物理或化学方法淀积和刻蚀技术， 在特定的衬底上制各具有空间有序的纳米尺度的掩膜图形或可转移到特定衬底上的 模板。然后在未掩蔽的衬底上进行选择性外延或离子束轰击等对暴露的衬底进行加 工，从而在衬底上实现量子点的直接生长或者形成外延生长的择优成核位置，进而 实现对量子点生长位置的控制。 §1-2．3表面活性剂法 表面活性剂的作用是改变体系的表面自由能，从而影响外延结构的形态。例如 长。但是，如果在生长GaN之前将四乙基硅烷作为表面活性剂喷射到衬底上，则四 乙基硅烷会降低衬底的表面自由能，GaN就会以量子点的形式出现。 §1．2．4纳米结构的汽一液一固相(VLS)生长模式 VLS生长模式的基本过程是：首先采用物理或化学方法，在特定的衬底表面上 制备空间有序排列的金属液滴(包括金属催化剂等)。在反应容器或生长装置内，分 子束炉向衬底表面喷射金属原子或通入气体分子，并使其与液滴反应生成所需的纳 §1．2．5离子注入法 第一辛绪论 离子注入是上世纪30年代发展起来的材料表面改性技术，它通过离子束与衬底 材料中的原子或分子发生一系列物理和化学相互作用，使入射离予逐渐损失能量， 最后停留在材料中，从而引起材料表面成分、结构和性能发生变化。将离子注入到 晶体中会引起非晶化，再经过退火可使非晶部分重新结晶，利用这种原理也可以实 现量子点的制各。例如，首先用热氧化方法在Si衬底上制备一层si02，然后在lookV 量级的加速电压下进行si离子注入。注入的si离子将破坏sj02的si一0键，同时 将在富Si的氧化硅区形成纳米硅颗粒[1．16]，即Si量子点。 除了通过退火使非晶硅重新结晶形成量子点外，还可以借助低温生长、高温退 约40衄的GaN量子点。GaN量子点的密度和大小，可由制备工艺的温度和时间来 控制。 上面介绍的主要是基于物理的方法，而利用化学方法也可合成半导体纳米晶态胶 体量子点[1．17一1．+18]。常用的化学方法有溶胶凝胶法、笨热法、溶液法和自组装聚 合体法等。用这些化学方法已成功制备出大量的单质和合金纳米粉体材料以及GaN、 人注目。化学方法的优点是：量子点尺寸可以小至2砌～10砌，平均量子点尺寸分 布大约在5％～10％范围内，量子点的组分易于控制，可获得高密度的量子点阵列以 及价廉等。但由化学方法制各的纳米粉体材料，其团聚、稳定性和如何实现空间的 有序排列等问题还有待进一步解决。 §1．3自组织量子点材料及器件的研究进展 近些年，对更好光电性能器件的需求激发了人们对量子点物理性质及其应用的 研究兴趣。人们在理论上和实验上一直研究的一个重要的问题是量子点中载流予的 动力学问题，特别是载流子的弛豫问题。在涉及到光电器件的效率问题上，载流子 的弛豫效率就变得非常重要。人们曾经预言当能级间隔与LO声予的能量不严格匹 南开大学硕士论文 就会淬灭。在这种情况下，光致发光的信号就会被强烈削减。事实上，这个预言的 弛豫瓶颈仍然存在很大的争议，并且就我们掌握的知识来看，实验结果并不是结论 性的。几个小组报道了不同的量子点系统中载流子在低激发的区域有快速弛豫现象 发辐射才能够观察到。为了解释有效的载流子弛豫，人们提出了多声子发射 [1．26一1．27]以及俄歇散射[1．28]等弛豫机制。 器件应用方面，在1982年，人们提出了量子点激光器的概念并预言：由于量子 点具有6函数分布的态密度，以量子点结构为有源区的半导体激光器将具有极低的阈 值电流、极高的特征温度、高的微分增益和极窄的谱线宽度[1．29—1．32]。但是，由 于受当时量子点制备工艺的限制，在随后的几年里在量子点激光器的研制方面没有 取得突破性的进展。直到1994年，HiIa)彻1a等利用电子束曝光、光刻和腐蚀等细 的损伤，激光器在77K下，闽值电流密度