量子限制雜質(zhì)能級(jí)間躍遷及其在太赫茲發(fā)光器的應(yīng)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(chǔ)科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用等眾多領(lǐng)域具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)THz輻射源的研究受到了廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)，可以抑制各種非輻射散射。通過(guò)改變量子點(diǎn)的形狀和尺寸，可以調(diào)節(jié)和控制其能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)THz激光器倍受人們重視。但是，目前量子點(diǎn)的制備技術(shù)還不成熟，不能準(zhǔn)確地控制量子點(diǎn)生長(zhǎng)的尺寸、形狀、分布和定位，還會(huì)引入缺陷，從而產(chǎn)

2、生非均勻的能級(jí)展寬，嚴(yán)重影響THz激光器的單頻性。
　　 我們提出了一種實(shí)現(xiàn)零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的新渠道：用量子限制雜質(zhì)原子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的特性。通過(guò)對(duì)量子限制在GaAs/AlAs多量子阱中受主雜質(zhì)態(tài)的靜力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究，證明了量子限制雜質(zhì)原子具有量子點(diǎn)的特性，可以看作是一個(gè)單電子(空穴)量子點(diǎn)。采用MBE和δ-摻雜方式實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)原子在量子阱中的精確定位生長(zhǎng)。
　　 建立了P型δ-摻雜量子阱的勢(shì)模型，數(shù)值計(jì)算了量子阱中

3、δ-摻雜勢(shì)對(duì)量子阱中價(jià)帶子帶的影響。
　　 量子限制雜質(zhì)原子能級(jí)間隔一般是在幾個(gè)meV到幾十個(gè)meV之間，正處于THz范圍內(nèi)。本文提出了一種產(chǎn)生THz輻射的新途徑：利用量子限制雜質(zhì)內(nèi)能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)THz激光器。
　　 本文從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面對(duì)限制在GaAs/AlAs量子阱中的量子限制鈹(Be)受主的能級(jí)結(jié)構(gòu)和受主能級(jí)之間的躍遷進(jìn)行了研究，研究了量子限制效應(yīng)對(duì)受主能級(jí)結(jié)構(gòu)和受主態(tài)壽命的影響和調(diào)制作用，展示了量子限制受主

4、雜質(zhì)具有量子點(diǎn)的特性，研究了利用量子限制雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)光的新途徑。
　　 1.通過(guò)光致發(fā)光譜和傅里葉變換遠(yuǎn)紅外吸收光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，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(xué)性質(zhì)，研究了GaAs/AlAs多量子阱中受主的能級(jí)結(jié)構(gòu)及其在量子限制效應(yīng)作用下的可調(diào)性。
　　 測(cè)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(yuǎn)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(cè)量了受主態(tài)1s-2s躍遷能隨量子阱寬度變化的關(guān)系。在FIR譜中清楚地觀察到了來(lái)源于Be受主1s基態(tài)到它的三個(gè)奇宇稱激發(fā)態(tài)的受主帶內(nèi)躍遷吸收線。結(jié)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(shì)模型，采用有效質(zhì)量包絡(luò)函數(shù)近似理論和有限差分打靶迭代算法，計(jì)算了量子阱中δ-

6、摻雜雜質(zhì)電離勢(shì)和量子阱阱寬對(duì)量子阱中價(jià)帶子帶的影響，得出以下結(jié)論：
　　 隨著Be受主δ-摻雜濃度的增加，受主電離引起的V形勢(shì)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(dòng)。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(jí)間隔增大。低溫下、摻雜濃度較低時(shí)，這種影響很小。當(dāng)量子阱寬度較窄、受主摻雜濃度大、電離程度高時(shí)，δ-摻雜雜質(zhì)的電離勢(shì)對(duì)量子阱中價(jià)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(guò)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(yuǎn)離阱底，HH0與LH0的能級(jí)間隔也增大。
　　 3.在有效質(zhì)量包絡(luò)函數(shù)近似下，采用變分法理論計(jì)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(jí)間的躍遷能。
　　 計(jì)算結(jié)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(shí)，束縛能出現(xiàn)了一個(gè)峰值，然后隨著量子阱寬度的進(jìn)一步減小，受主束縛能又單調(diào)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(diào)增大。理論計(jì)算結(jié)果與PL譜和FIR吸收譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。
　　 4.采用皮秒自由電子激光時(shí)間分辨平衡泵浦-探測(cè)方法，對(duì)δ-摻雜在GaAs/AlAs多量子阱中央的Be受主內(nèi)空穴從2p激發(fā)態(tài)躍遷到1s基態(tài)的弛豫動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。

9、r>　　 改變測(cè)量溫度和泵浦激發(fā)光波長(zhǎng)，對(duì)多量子阱樣品進(jìn)行了平衡泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(wú)關(guān)，但卻強(qiáng)烈地受激發(fā)光波長(zhǎng)影響。研究表明，量子阱中Be受主2p→1s躍遷的弛豫過(guò)程主要是由布區(qū)折疊聲學(xué)聲子的散射引起的。隨著量子阱寬度的減小，量子限制效應(yīng)對(duì)布區(qū)折替聲學(xué)聲子模的影響增強(qiáng)，提高了受主內(nèi)空穴馳豫過(guò)程中聲學(xué)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(shì)使阱

10、中大波矢雜質(zhì)態(tài)波函數(shù)衰減減慢，也加快了受主雜質(zhì)2p→1s的躍遷，導(dǎo)致了量子阱中2p激發(fā)態(tài)壽命顯著降低。
　　 5.首次設(shè)計(jì)制備了基于量子限制Be受主內(nèi)能級(jí)之間躍遷的電注入三量子阱THz遠(yuǎn)紅外原型發(fā)光器。測(cè)量了發(fā)光器的電流-電壓特性，觀察到了明顯的負(fù)微分電阻現(xiàn)象。在低溫下，測(cè)量了發(fā)光器件的電致發(fā)光光譜，觀察到了來(lái)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(jié)果展示出利用量子限制雜質(zhì)能級(jí)間的躍