量子限制雜質能級間躍遷及其在太赫茲發(fā)光器的應用研究.pdf

1、太赫茲(THz)輻射波具有很多極其優(yōu)越的特性，在基礎科學研究和實際應用等眾多領域具有重要的學術和應用價值，對THz輻射源的研究受到了廣泛關注。半導體量子點的電荷載流子在三維方向上受到限制，具有類原子的量子化分立能級結構，可以抑制各種非輻射散射。通過改變量子點的形狀和尺寸，可以調節(jié)和控制其能級結構，因此量子點THz激光器倍受人們重視。但是，目前量子點的制備技術還不成熟，不能準確地控制量子點生長的尺寸、形狀、分布和定位，還會引入缺陷，從而產

2、生非均勻的能級展寬，嚴重影響THz激光器的單頻性。
　　 我們提出了一種實現(xiàn)零維量子點結構的新渠道：用量子限制雜質原子來實現(xiàn)量子點的特性。通過對量子限制在GaAs/AlAs多量子阱中受主雜質態(tài)的靜力學性質和動力學性質的研究，證明了量子限制雜質原子具有量子點的特性，可以看作是一個單電子(空穴)量子點。采用MBE和δ-摻雜方式實現(xiàn)了雜質原子在量子阱中的精確定位生長。
　　 建立了P型δ-摻雜量子阱的勢模型，數(shù)值計算了量子阱中

3、δ-摻雜勢對量子阱中價帶子帶的影響。
　　 量子限制雜質原子能級間隔一般是在幾個meV到幾十個meV之間，正處于THz范圍內。本文提出了一種產生THz輻射的新途徑：利用量子限制雜質內能級之間的躍遷實現(xiàn)THz激光器。
　　 本文從實驗和理論兩方面對限制在GaAs/AlAs量子阱中的量子限制鈹(Be)受主的能級結構和受主能級之間的躍遷進行了研究，研究了量子限制效應對受主能級結構和受主態(tài)壽命的影響和調制作用，展示了量子限制受主

4、雜質具有量子點的特性，研究了利用量子限制雜質能級之間的躍遷實現(xiàn)太赫茲發(fā)光的新途徑。
　　 1.通過光致發(fā)光譜和傅里葉變換遠紅外吸收光譜測量實驗，研究了阱中央δ-摻雜Be受主的GaAs/AlAs多量子阱系統(tǒng)的光學性質，研究了GaAs/AlAs多量子阱中受主的能級結構及其在量子限制效應作用下的可調性。
　　 測量了一系列不同阱寬的δ-摻雜Be原子的GaAs/AlAs多量子阱樣品和GaAs：Be外延單層樣品的光致發(fā)光(PL)譜

5、和遠紅外(FIR)吸收譜。在PL譜中清楚地觀察到了束縛激子受主的兩空穴躍遷，測量了受主態(tài)1s-2s躍遷能隨量子阱寬度變化的關系。在FIR譜中清楚地觀察到了來源于Be受主1s基態(tài)到它的三個奇宇稱激發(fā)態(tài)的受主帶內躍遷吸收線。結果發(fā)現(xiàn)，Be受主束縛能、1s基態(tài)躍遷到2s和各2p激發(fā)態(tài)的躍遷能均隨著量子阱寬度的減小而增大。
　　 2.建立了P型δ-摻雜量子阱的勢模型，采用有效質量包絡函數(shù)近似理論和有限差分打靶迭代算法，計算了量子阱中δ-

6、摻雜雜質電離勢和量子阱阱寬對量子阱中價帶子帶的影響，得出以下結論：
　　 隨著Be受主δ-摻雜濃度的增加，受主電離引起的V形勢阱深度增加，使重空穴子帶HH0和輕空穴子帶LH0的能量增大而向阱底方向移動。隨著受主摻雜濃度的增加，HH0和LH0的能量增量增加，HH0與LH0的能級間隔增大。低溫下、摻雜濃度較低時，這種影響很小。當量子阱寬度較窄、受主摻雜濃度大、電離程度高時，δ-摻雜雜質的電離勢對量子阱中價帶態(tài)的影響非常明顯，HH0能

7、量增加幾十meV，LH0能量增加超過100meV。在相同的Be受主δ-摻雜濃度下，隨著GaAs量子阱阱寬的減小，空穴子帶HH0和LH0的能量增大而遠離阱底，HH0與LH0的能級間隔也增大。
　　 3.在有效質量包絡函數(shù)近似下，采用變分法理論計算了限制在GaAs/AlAs量子阱中央的Be受主的束縛能和受主能級間的躍遷能。
　　 計算結果表明，隨著量子阱寬度的減少，處在GaAs/AlAs多量子阱中央的Be受主的束縛能逐漸增大

8、，在阱寬為0.7nm時，束縛能出現(xiàn)了一個峰值，然后隨著量子阱寬度的進一步減小，受主束縛能又單調下降；限制在量子阱中央的Be受主1s-2s、1s-2px、1s-2pz的躍遷能均隨著量子阱寬度的減小而單調增大。理論計算結果與PL譜和FIR吸收譜的實驗測量結果一致。
　　 4.采用皮秒自由電子激光時間分辨平衡泵浦-探測方法，對δ-摻雜在GaAs/AlAs多量子阱中央的Be受主內空穴從2p激發(fā)態(tài)躍遷到1s基態(tài)的弛豫動力學進行了研究。

9、r>　　 改變測量溫度和泵浦激發(fā)光波長，對多量子阱樣品進行了平衡泵浦-探測實驗。結果發(fā)現(xiàn)，多量子阱中Be受主的2p激發(fā)態(tài)壽命隨著量子阱寬的下降而減小，而且與溫度無關，但卻強烈地受激發(fā)光波長影響。研究表明，量子阱中Be受主2p→1s躍遷的弛豫過程主要是由布區(qū)折疊聲學聲子的散射引起的。隨著量子阱寬度的減小，量子限制效應對布區(qū)折替聲學聲子模的影響增強，提高了受主內空穴馳豫過程中聲學聲子的非輻射散射率，降低了受主激發(fā)態(tài)的壽命。量子阱限制勢使阱

10、中大波矢雜質態(tài)波函數(shù)衰減減慢，也加快了受主雜質2p→1s的躍遷，導致了量子阱中2p激發(fā)態(tài)壽命顯著降低。
　　 5.首次設計制備了基于量子限制Be受主內能級之間躍遷的電注入三量子阱THz遠紅外原型發(fā)光器。測量了發(fā)光器的電流-電壓特性，觀察到了明顯的負微分電阻現(xiàn)象。在低溫下，測量了發(fā)光器件的電致發(fā)光光譜，觀察到了來自量子阱中Be受主從2p激發(fā)態(tài)躍遷到1s基態(tài)的THz輻射發(fā)光峰。
　　 研究結果展示出利用量子限制雜質能級間的躍