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低維量子器件物理 
定 價(jià)：49 元 叢書(shū)名：半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)叢書(shū)
9 7 3 8 3 7 8 0 4 3 9 0 5 讀者對(duì)象:高等院校相關(guān)專業(yè)師生，科技工作者 
本書(shū)主要以異質(zhì)結(jié)雙晶體管、高電子遷移率晶體管、共振遂穿電子器件、單電子輸運(yùn)器件、量子結(jié)構(gòu)激光器、量子結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器和量子結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池為主, 比較系統(tǒng)地分析與討論了它們的工作原理與器件特性, 并對(duì)自旋電子器件、單分子器件和量子計(jì)算機(jī)等內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
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低維量子器件是微納電子技術(shù)研究的核心，低維量子器件物理是現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理的一個(gè)重要組成部分。它的主要研究對(duì)象是低維量子器件的設(shè)計(jì)制作、器件性能與載流子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。本書(shū)主要以異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、共振隧穿電子器件、單電子輸運(yùn)器件、量子結(jié)構(gòu)激光器、量子結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器和量子結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池為主，比較系統(tǒng)地分析與討論了它們的工作原理與器件特性，并對(duì)自旋電子器件、單分子器件和量子計(jì)算機(jī)等內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
本書(shū)可作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生的專業(yè)課教學(xué)用書(shū)，也可供高年級(jí)本科生和相關(guān)領(lǐng)域的科技工作者閱讀和參考。
彭英才，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，日本東京理科大學(xué)客座教授。多次赴日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)、廣島大學(xué)和東京理科大學(xué)進(jìn)行訪問(wèn)研究。長(zhǎng)期承擔(dān)半導(dǎo)體與微電子技術(shù)專業(yè)的研究生和本科生教學(xué)工作。主要從事納米半導(dǎo)體光電信息薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、光電特性與器件應(yīng)用的研究，在國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇；作為第一編著者，出版學(xué)術(shù)專著3部：《納米光電子器件》、《納米太陽(yáng)電池技術(shù)》和《硅基納米光電子技術(shù)》；研究生教材2部：《低維量子器件物理》和《低維半導(dǎo)體物理》。
趙新為，1988年獲日本東京大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位�，F(xiàn)任日本東京理科大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，物理系主任。兼任法國(guó)路易帕斯特大學(xué)特聘教授，天津大學(xué)特約教授，日本東洋大學(xué)、河北大學(xué)、四川大學(xué)和西華大學(xué)客座教授。長(zhǎng)期從事納米半導(dǎo)體材料、納米磁性材料、光磁半導(dǎo)體材料、太陽(yáng)能電池、超低溫和超強(qiáng)磁場(chǎng)物理等領(lǐng)域的研究。主持和參與了包括日本文部科學(xué)省和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”在內(nèi)的科研基金課題多項(xiàng)。在國(guó)際期刊上發(fā)表論文100余篇，在國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文100余篇，獲技術(shù)專利15項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)專著6部。 傅廣生，教授，博士生導(dǎo)師，河北省管優(yōu)秀專家，燕趙學(xué)者，享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任河北工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事光與物質(zhì)相互作用和光電信息材料領(lǐng)域的研究與教學(xué)工作，在Physical Review Letters、Applied Physics Letters、《科學(xué)通報(bào)》和《中國(guó)科學(xué)》等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文150余篇，研究成果多次被國(guó)內(nèi)外同行引用。1991年獲得國(guó)家“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士/碩士學(xué)位獲得者”榮譽(yù)稱號(hào)，并獲多項(xiàng)河北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)和優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)。兼任中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事、國(guó)家教育部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)數(shù)理學(xué)部委員與河北省物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。
目錄
序 前言 第1章 緒論 1 1.1 低維量子器件的發(fā)展歷史 1 1.1.1 低維電子輸運(yùn)器件 1 1.1.2 低維光電子器件 3 1.2 低維量子器件的未來(lái)預(yù)測(cè) 5 1.2.1 納米光子器件 5 1.2.2 磁性納米器件 5 1.2.3 有機(jī)納米器件 6 1.2.4 量子信息處理器件 6 參考文獻(xiàn) 8 第2章 低維量子結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì) 9 2.1 低維量子結(jié)構(gòu)的能帶特征 9 2.1.1 異質(zhì)結(jié)的能帶特點(diǎn) 9 2.1.2 AlxGa1-xAs/GaAs調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié) 10 2.1.3 GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié) 11 2.1.4 超晶格的能帶結(jié)構(gòu) 12 2.2 低維量子結(jié)構(gòu)中的電子狀態(tài) 13 2.2.1 調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)三角形勢(shì)阱中的電子狀態(tài) 14 2.2.2 二維量子阱中的電子狀態(tài) 15 2.2.3 一維量子線中的電子狀態(tài) 17 2.2.4 零維量子點(diǎn)中的電子狀態(tài) 19 2.3 低維量子結(jié)構(gòu)中的激子狀態(tài) 20 2.3.1 量子阱中的激子 21 2.3.2 量子點(diǎn)中的激子 22 2.4 低維量子結(jié)構(gòu)中的載流子輸運(yùn) 23 2.4.1 二維電子氣的散射機(jī)構(gòu) 23 2.4.2 雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的共振隧穿輸運(yùn) 26 2.4.3 異質(zhì)結(jié)中熱電子的實(shí)空間轉(zhuǎn)移 28 2.4.4 零維體系的庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象 30 2.5 低維量子體系的光學(xué)性質(zhì) 32 2.5.1 量子阱中的二維激子特性 32 2.5.2 量子阱的發(fā)光特性 36 2.5.3 零維體系的量子尺寸效應(yīng) 37 參考文獻(xiàn) 40 第3章 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 42 3.1 HBT的器件結(jié)構(gòu) 42 3.1.1 AlGaAs/GaAs HBT 42 3.1.2 InGaP/GaAs HBT 43 3.1.3 InGaAs/InP HBT 44 3.1.4 SiGe/Si HBT 44 3.2 不同能帶形式的HBT 45 3.2.1 寬帶隙發(fā)射區(qū)HBT 45 3.2.2 緩變基區(qū)HBT 46 3.2.3 寬帶隙集電區(qū)HBT 47 3.3 HBT中的載流子輸運(yùn)過(guò)程 47 3.3.1 寬帶隙發(fā)射區(qū)HBT中的載流子輸運(yùn) 48 3.3.2 緩變基區(qū)HBT中的載流子輸運(yùn) 48 3.3.3 HBT發(fā)射區(qū)-基區(qū)空間電荷區(qū)中的載流子復(fù)合 49 3.3.4 寬帶隙集電區(qū)HBT中的載流子輸運(yùn) 51 3.4 HBT的器件特性 52 3.4.1 電流增益 52 3.4.2 電流-電壓特性 54 3.4.3 頻率特性 56 3.4.4 溫度特性 58 3.5 SiGe/Si HBT的器件性能 59 參考文獻(xiàn) 61 第4章 高電子遷移率晶體管 63 4.1 調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣 63 4.1.1 2DEG的面密度 63 4.1.2 2DEG的遷移率 65 4.2 HEMT的工作特性 66 4.2.1 閾值電壓 66 4.2.2 跨導(dǎo) 68 4.2.3 電流-電壓特性 68 4.2.4 電容-電壓特性 71 4.3 高頻邏輯HEMT 72 4.3.1 低噪聲HEMT 72 4.3.2 大功率HEMT 73 4.4 GaN基HEMT 74 4.4.1 GaN基異質(zhì)結(jié)中的2DEG 74 4.4.2 GaN基HEMT的工作特性 75 4.5 *摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管 76 參考文獻(xiàn) 77 第5章 共振隧穿電子器件 79 5.1 不同勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的隧穿特性 79 5.1.1 單勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的隧穿 79 5.1.2 雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的共振隧穿 80 5.1.3 多勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的順序共振隧穿 81 5.2 共振隧穿二極管 82 5.2.1 RTD的共振隧穿電流密度 82 5.2.2 RTD的響應(yīng)速度 84 5.2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)RTD輸運(yùn)特性的影響 85 5.3 共振隧穿晶體管 86 5.3.1 對(duì)稱雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)RTT 87 5.3.2 量子阱與超晶格基區(qū)RTT 88 5.3.3 共振隧穿熱電子晶體管 89 5.4 負(fù)阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 89 5.5 轉(zhuǎn)移電子器件 91 參考文獻(xiàn) 93 第6章 單電子輸運(yùn)器件 95 6.1 單電子箱 95 6.2 單電子和單光子旋轉(zhuǎn)門(mén)器件 96 6.2.1 單電子旋轉(zhuǎn)門(mén)器件 96 6.2.2 單光子旋轉(zhuǎn)門(mén)器件 97 6.3 單電子泵 98 6.4 單電子存儲(chǔ)器 99 6.4.1 單電子存儲(chǔ)器的工作原理 99 6.4.2 浮柵量子點(diǎn)單電子存儲(chǔ)器 101 6.5 單電子晶體管 103 6.5.1 SET的工作原理 103 6.5.2 SET的噪聲特性 104 6.5.3 SET的靈敏度 104 6.5.4 電容型SET 105 6.5.5 電阻型SET 106 6.5.6 射頻SET 109 6.5.7 單電子CCD 110 6.6 庫(kù)侖阻塞測(cè)溫計(jì) 111 參考文獻(xiàn) 111 第7章 量子結(jié)構(gòu)激光器 113 7.1 量子阱激光器 113 7.1.1 量子阱激光器的性能特點(diǎn) 113 7.1.2 量子阱激光器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 113 7.1.3 量子阱激光器的工作原理 115 7.1.4 量子阱激光器的性能參數(shù) 116 7.1.5 垂直腔面發(fā)射量子阱激光器 122 7.2 量子點(diǎn)激光器 123 7.2.1 量子點(diǎn)激光器的物理性能 123 7.2.2 量子點(diǎn)激光器對(duì)材料性質(zhì)的要求 126 7.2.3 幾種典型的量子點(diǎn)激光器 127 7.2.4 量子點(diǎn)光放大器 129 7.3 量子級(jí)聯(lián)激光器 130 7.3.1 QC激光器的物理特性 130 7.3.2 QC激光器的工作原理 131 7.3.3 QC激光器的性能參數(shù) 133 7.3.4 幾種典型的QC激光器 133 參考文獻(xiàn) 135 第8章 量子結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器 136 8.1 光探測(cè)器的性能參數(shù) 136 8.2 pin型光探測(cè)器 137 8.2.1 基本工作原理 137 8.2.2 光產(chǎn)生電流分析 138 8.3 雪崩光電探測(cè)器 140 8.3.1 APD的工作原理 140 8.3.2 各種改進(jìn)型的APD 142 8.4 量子阱紅外探測(cè)器 144 8.4.1 QWIP的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 144 8.4.2 QWIP的光譜響應(yīng)率 145 8.4.3 QWIP的探測(cè)率 145 8.5 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器 146 8.5.1 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的性能 146 8.5.2 不同類(lèi)型的量子點(diǎn)紅外探測(cè)器 146 8.6 太赫茲單光子探測(cè)器 149 8.6.1 雙量子點(diǎn)單光子探測(cè)器 149 8.6.2 單量子點(diǎn)單光子探測(cè)器 150 8.6.3 雙量子阱單光子探測(cè)器 151 8.7 量子限制斯塔克效應(yīng)器件 152 參考文獻(xiàn) 153 第9章 量子結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池 154 9.1 太陽(yáng)電池的光伏參數(shù) 154 9.1.1 短路電流密度 154 9.1.2 開(kāi)路電壓 155 9.1.3 填充因子 156 9.1.4 功率轉(zhuǎn)換效率 157 9.1.5 Shockley-Queisser極限效率 158 9.2 量子阱太陽(yáng)電池 159 9.2.1 量子阱結(jié)構(gòu)中的光吸收 159 9.2.2 量子阱太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)組態(tài)與光電流密度 160 9.3 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池 162 9.3.1 pin結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池 162 9.3.2 量子點(diǎn)激子太陽(yáng)電池 165 9.3.3 量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)電池 169 參考文獻(xiàn) 172 第10章 其他低維量子器件簡(jiǎn)介 174 10.1 自旋電子器件 174 10.1.1 自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管 174 10.1.2 彈道自旋晶體管 175 10.1.3 自旋發(fā)光器件 176 10.2 單分子器件 177 10.2.1 單電子隧穿型單分子晶體管 177 10.2.2 內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)型單分子晶體管 178 10.2.3 分子存儲(chǔ)器 180 10.3 量子點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)機(jī) 180 10.4 超導(dǎo)量子器件 182 10.5 Si基自旋量子計(jì)算機(jī) 183 參考文獻(xiàn) 184
第1章 緒論
半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展的宗旨就是利用不同半導(dǎo)體材料所具有的物理性質(zhì),設(shè)計(jì)和制作各種固態(tài)電子器件與集成電路.這些器件與電路是組成通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和各種電子裝置的心臟.性能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件的實(shí)現(xiàn),有賴于高質(zhì)量半導(dǎo)體材料的制備、合理器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝條件的選取.按照材料結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體器件可分為晶態(tài)半導(dǎo)體器件、非晶態(tài)半導(dǎo)體器件、超晶格與量子阱器件、量子線與量子點(diǎn)器件、寬帶隙半導(dǎo)體器件以及有機(jī)半導(dǎo)體器件等;按功能特性的不同,半導(dǎo)體器件又可分為電子輸運(yùn)器件和光電子器件等;而按照物理效應(yīng)的不同,半導(dǎo)體器件又可分為經(jīng)典體效應(yīng)器件和納米量子效應(yīng)器件等.正是這些性能優(yōu)異的各類(lèi)固態(tài)電子器件及其集成電路,在通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子線路技術(shù)中發(fā)揮著巨大作用,從而極大地促進(jìn)了整個(gè)信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展. 納米量子器件一般是指采用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、超晶格、量子阱、量子線和量子點(diǎn)等低維結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制作的具有某些量子效應(yīng)的電子器件,也可稱為低維量子器件.如上所述,這種器件又大體可分為電子輸運(yùn)器件和光電子器件兩大類(lèi).所謂電子輸運(yùn)器件是指在外電場(chǎng)作用下,其工作特性由載流子的輸運(yùn)行為支配的電子器件.例如,異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、共振隧穿晶體管(RTT)和單電子晶體管(SET)均屬于這類(lèi)器件;而光電子器件是指在光照和電場(chǎng)作用下,工作特性基于載流子的光吸收躍遷或發(fā)射而實(shí)現(xiàn)的電子器件.例如,量子阱和量子點(diǎn)激光器、量子阱和量子點(diǎn)光探測(cè)器、量子阱和量子點(diǎn)太陽(yáng)電池以及單光子器件都屬于這一類(lèi). 在正式分析與討論各種低維量子器件之前,不妨簡(jiǎn)單回顧一下上述各種低維量子器件的發(fā)展歷程,這對(duì)我們深入理解其工作原理與器件特性將會(huì)大有裨益. 1.1 低維量子器件的發(fā)展歷史 1.1.1 低維電子輸運(yùn)器件 HEMT可以說(shuō)是最早研制成功的低維電子輸運(yùn)器件,它是利用調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣所具有的高電子遷移率制作的超高速邏輯器件.20世紀(jì)70年代初,分子束外延(MBE)技術(shù)的研發(fā)成功,開(kāi)辟了利用能帶工程剪裁材料能帶結(jié)構(gòu)的新時(shí)代.此后不久,人們便利用MBE工藝生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)和超晶格.尤其是1978年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Dingle等[1] 首次觀測(cè)到了調(diào)制摻雜n-AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中電子遷移率增強(qiáng)的現(xiàn)象,即刻引起了人們的廣泛關(guān)注.1980年,日本富士通公司的Mimura等[2] 率先采用這種結(jié)構(gòu)成功研制了第一只HEMT.其后的幾年間,世界各國(guó)科學(xué)家又進(jìn)行了一系列的理論與實(shí)驗(yàn)研究,其主要思路是如何通過(guò)優(yōu)化n-AlGaAs層的摻雜濃度和本征AlGaAs隔離層厚度,以獲得最高的電子遷移率.換句話說(shuō),就是如何最佳化AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣面密度,以在低溫乃至室溫下得到預(yù)期的高遷移率值.經(jīng)過(guò)人們的嘗試與探索,在短短的幾年內(nèi)便使HEMT的低溫電子遷移率提高到了～106cm2/(Vs).與此同時(shí),HEMT環(huán)型振蕩器、HEMT分頻器、大功率HEMT、低噪聲HEMT及其集成電路也相繼問(wèn)世. 與HEMT相比,HBT的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)暗淡時(shí)期.早在1951年,Shockley就提出了采用異質(zhì)結(jié)制作雙極型晶體管的概念.但是,由于當(dāng)時(shí)受材料制備和器件制作工藝技術(shù)的限制,這種器件問(wèn)世的構(gòu)想未能如愿以償.1983年,Kroemer[3] 首先從理論上分析了HBT的電流增益特性,從此揭開(kāi)了HBT研究的序幕.然而,真正給HBT的研究發(fā)展帶來(lái)活力的應(yīng)歸功于具有原子級(jí)平滑程度,且組分和厚度能夠精確控制的MBE等超薄層外延生長(zhǎng)技術(shù).采用這些方法能夠獨(dú)立地控制材料的禁帶寬度和摻雜濃度,它既能使HBT基區(qū)獲得高摻雜濃度,又可以使基區(qū)獲得0.1μm左右薄的厚度,甚至還可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化基區(qū)能帶形式,實(shí)現(xiàn)載流子的彈道輸運(yùn)或隧穿輸運(yùn),從而使它成為繼HEMT之后的另一種高速邏輯器件.目前,這類(lèi)器件也已在振蕩器、分頻器、移位寄存器、門(mén)陣列、大功率器件及其集成電路中獲得成功應(yīng)用[4]. 共振隧穿電子器件是對(duì)半導(dǎo)體超晶格施加一垂直電場(chǎng)時(shí),電子橫穿勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)器件.早在1969年,江崎和朱兆祥在提出半導(dǎo)體超晶格概念的同時(shí),就曾預(yù)測(cè)到了在這種多層超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生共振隧穿現(xiàn)象.1974年,張立綱等[5] 首次利用MBE技術(shù)制作成功了AlGaAs/GaAs雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu),并實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了這種結(jié)構(gòu)中的共振隧穿現(xiàn)象,從而開(kāi)辟了超晶格垂直電子輸運(yùn)研究的新局面.1983年,首例采用MBE工藝制備的共振隧穿二極管(RTD),在太赫茲頻率下觀測(cè)到了負(fù)微分電阻(NDR)現(xiàn)象[6].這一研究結(jié)果大大鼓舞了人們的信心,其后又提出了研制共振隧穿晶體管的設(shè)想,以期利用共振隧穿具有大電流峰?谷比的NDR特性,制作多穩(wěn)態(tài)器件,并使之用于多值邏輯存儲(chǔ)電路系統(tǒng).迄今,對(duì)共振隧穿電子器件的研究相當(dāng)廣泛,已開(kāi)發(fā)成功的器件主要有振蕩器、邏輯門(mén)、頻率倍增器以及存儲(chǔ)器等[7]. 單電子器件的研究發(fā)端于納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象.1989年Scott-Thomas等[8] 發(fā)現(xiàn),對(duì)于由Si表面反型層構(gòu)成的窄一維溝道結(jié)構(gòu),在電導(dǎo)隨柵偏壓的變化曲線上呈現(xiàn)出了周期性振蕩行為.接著,他們又在倒置的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)制成的一維量子線電導(dǎo)的測(cè)量中,重復(fù)了上述結(jié)果.此后不久,Kouwenhoven等[9] 采用分離柵技術(shù),利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)試制成功了能控制單個(gè)電子進(jìn)出的新器件,并稱此為量子點(diǎn)旋轉(zhuǎn)門(mén)(QDTS)器件.納米結(jié)構(gòu)或量子點(diǎn)中的這種庫(kù)侖阻塞效應(yīng)不僅是一種十分有趣的物理現(xiàn)象,而且蘊(yùn)含著潛在的應(yīng)用前景.在納米技術(shù)的推動(dòng)下,一門(mén)以單電子物理學(xué)為基礎(chǔ)的納米電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.迄今,人們已采用各種材料體系和結(jié)構(gòu)制備了量子點(diǎn)、納米晶粒、納米線陣列等零維隧穿異質(zhì)結(jié)構(gòu),在低溫和室溫條件下均觀測(cè)到了明顯的庫(kù)侖阻塞和單電子隧穿振蕩現(xiàn)象,并試制成功了單電子晶體管.盡管目前尚無(wú)實(shí)用化的單電子器件問(wèn)世,但是隨著納米電子學(xué)研究的不斷創(chuàng)新與突破,能夠真正造福于人類(lèi)的單電子器件以及集成電路,將會(huì)為信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)一場(chǎng)新的革命. 1.1.2 低維光電子器件 低維光電子器件主要是指具有優(yōu)異光發(fā)射特性的量子結(jié)構(gòu)激光器和具有良好光吸收特性的量子結(jié)構(gòu)紅外光探測(cè)器和量子結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池等.量子阱激光器是最早被研制成功的低維光電子器件,世界上首例量子阱激光器是1975年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)的VanderZiel等試制成功的[10].1981年,該實(shí)驗(yàn)室的Tsang[11] 又研制成功了閾值電流密度低達(dá)0.25kA/cm2 的量子阱激光器.其后,隨著光通信向長(zhǎng)距離和大容量方向發(fā)展,需要高性能的半導(dǎo)體激光器光源.1992年,美國(guó)加利福尼亞理工大學(xué)的科學(xué)家采用短諧振腔和激光端面的高反射率設(shè)計(jì)方案,獲得了閾值電流低達(dá)0.25mA 的量子阱激光器.同年,日本的NEC公司采用面發(fā)光型結(jié)構(gòu),又使量子阱激光器的閾值電流降低到了0.19mA.其后,隨著MBE技術(shù)的日臻完善和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化,各種材料體系和異質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的量子阱激光器不斷涌現(xiàn),而且激射性能大大提高[12]. 量子線與量子點(diǎn)激光器的概念,最早是1982年由日本東京大學(xué)的Arakawa等提出的[13].他們預(yù)言,由于量子線和量子點(diǎn)比量子阱具有更強(qiáng)的量子限制效應(yīng),因此由它們制作的激光器會(huì)具有更低的閾值電流密度,而且同溫度的依賴關(guān)系也會(huì)進(jìn)一步減弱.但是,由于量子線和量子點(diǎn)在制備工藝上所存在的困難,人們一直沒(méi)有能夠真正制作出這類(lèi)低維結(jié)構(gòu)激光器.直到20世紀(jì)90年代初期,才陸續(xù)有一些關(guān)于這方面的報(bào)道[14,15].但是,早期的量子線和量子點(diǎn)激光器,都是采用對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行再蝕刻方法制作的.這種工藝有一個(gè)致命弱點(diǎn),就是在蝕刻過(guò)程中會(huì)在量子線或量子點(diǎn)表面產(chǎn)生許多缺陷與損傷,同時(shí)襯底表面的空間利用率也比較低,這對(duì)產(chǎn)生光激射是非常不利的.后來(lái),人們開(kāi)始探索量子點(diǎn)的自組織生長(zhǎng)技術(shù),即利用生長(zhǎng)材料與襯底間具有一定晶格失配度的特點(diǎn),采用MBE方法并基于S-K模式成功生長(zhǎng)出了具有一定密度分布和尺寸趨于均勻的量子點(diǎn)及其陣列.1994年,第一只InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器研制成功,從而大大激發(fā)了人們研制量子點(diǎn)激光器的熱情.其后,各種材料體系和波長(zhǎng)激射范圍的量子點(diǎn)激光器相繼問(wèn)世,并成為低維光電子器件發(fā)展的主流[16]. 由于紅外探測(cè)器在夜視、跟蹤、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和空間科學(xué)等方面的廣泛應(yīng)用,而受到人們的普遍重視.在過(guò)去的30年間,窄帶隙的HgCdTe單元紅外探測(cè)器已經(jīng)獲得了成功應(yīng)用.但是,在開(kāi)發(fā)多元陣列探測(cè)器的過(guò)程中,HgCdTe單元探測(cè)器遇到了很大困難.1987年,Levine研究小組首先在AlAs/GaAs摻雜量子阱中觀測(cè)到了波長(zhǎng)為8.2μm的強(qiáng)子帶中紅外吸收,并試制成功了AlGaAs/GaAs共振隧穿紅外探測(cè)器.1988年,他們又研制成功了由束縛態(tài)到擴(kuò)展態(tài)躍遷的多量子阱紅外探測(cè)器,從而使長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱紅外探測(cè)器的性能跨上了一個(gè)新臺(tái)階.但是量子阱紅外探測(cè)器的最大不足是由于躍遷選擇定則,不能探測(cè)垂直入射的光,一般在紅外區(qū)只有比較窄的光譜響應(yīng).而量子點(diǎn)是一種具有三維量子限制效應(yīng)的低維體系,其類(lèi)δ函數(shù)狀的態(tài)密度使其對(duì)垂直入射光具有敏感的響應(yīng)特性,而且任何偏振的紅外光都可以誘導(dǎo)子帶間躍遷的發(fā)生,因此,量子點(diǎn)探測(cè)器是一種更有發(fā)展前景的紅外探測(cè)器.自從1998年以來(lái),人們已先后研制成功了InAs/GaAs和InGaAs/GaAs量子點(diǎn)探測(cè)器、AlGaAs/InGaAs/AlGaAs雙勢(shì)壘隧穿結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)探測(cè)器、Ge和Si量子點(diǎn)紅外探測(cè)器、高溫量子點(diǎn)探測(cè)器、量子點(diǎn)/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器以及GaN納米結(jié)構(gòu)光探測(cè)器等[17]. 太陽(yáng)能的利用和開(kāi)發(fā)是人們?cè)诿媾R環(huán)境不斷惡化和能源日漸短缺的形式下提出的一個(gè)新課題.迄今,單晶Si和多晶Si及其Si基薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展早已產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化.近年來(lái),人們又提出了所謂第三代太陽(yáng)電池的概念,即高效率、低成本、長(zhǎng)壽命、無(wú)毒性和高可靠性太陽(yáng)電池.實(shí)現(xiàn)這種近乎理想化太陽(yáng)電池的途徑之一,便是采用量子阱或量子點(diǎn)這類(lèi)低維結(jié)構(gòu).采用量子阱結(jié)構(gòu)的主要物理依據(jù)是,由于其中的量子阱層厚度和組分可以靈活調(diào)節(jié),因而可以獲得最佳的帶隙能量,以滿足太陽(yáng)電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收.2000年,Aperathitis等[18] 采用AlGaAs/GaAs體系試制成功了世界上首例量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池,其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)9%.日本豐田工業(yè)大學(xué)的Yang等[19] 采用MBE技術(shù)研制了InGaAs/GaAs多量子阱太陽(yáng)電池,其AM1.5照度下的能量轉(zhuǎn)換效率為18%.英國(guó)倫敦帝國(guó)大學(xué)的Bushnell等[20] 采用GaAsP/InGaAs應(yīng)變超晶格所制作的多量子阱太陽(yáng)電池,AM1.5照度下的能量轉(zhuǎn)換效率為21.9%.近年來(lái),隨著對(duì)量子點(diǎn)物理研究的不斷深化和量子點(diǎn)自組織生長(zhǎng)技術(shù)的逐漸成熟,又開(kāi)始了對(duì)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的探索研究.人們?cè)噲D利用量子點(diǎn)或納米晶粒這類(lèi)零維量子結(jié)構(gòu)所具有的量子限制效應(yīng)和能級(jí)分立特性,尤其是它們所呈現(xiàn)的多激子產(chǎn)生(MEG)效應(yīng)設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池,從而使其能量轉(zhuǎn)換效率得以超乎尋常的提高,其理論極限值可達(dá)66%.目前,人們已理論和實(shí)驗(yàn)研究了PbS、PbTe、PbSe、CdS、Si等量子點(diǎn)中的多激子產(chǎn)生效應(yīng)及其物理機(jī)制,均獲得了多激子產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.最近,Choi等已采用PbSe量子點(diǎn)制作了首例多激子太陽(yáng)電池,其能量轉(zhuǎn)換效率為3.4%[21]. 1.2 低維量子器件的未來(lái)預(yù)測(cè) 自從20世紀(jì)40年代末期晶體管發(fā)明以來(lái),半導(dǎo)體器件的發(fā)展已走過(guò)了60多個(gè)春秋.縱觀它的發(fā)展歷史可以看出,每伴隨著一次材料制備技術(shù)的革新,就會(huì)有一批新的器件誕生.例如,50年代氣相外延和液相外延工藝的出現(xiàn),使Si和GaAs半導(dǎo)體器件在60年代獲得了迅速發(fā)展,70年代MBE和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝的開(kāi)發(fā),使半導(dǎo)體超晶格與量子阱器件在80年代相繼研制成功;而90年代自組織生長(zhǎng)技術(shù)的出現(xiàn),又使各類(lèi)量子點(diǎn)電子器件應(yīng)運(yùn)而生.進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),同時(shí)出現(xiàn)了多元化半導(dǎo)體器件競(jìng)相發(fā)展的新局面.可以預(yù)期,在今后的幾十年中,單電子器件、單光子器件、有機(jī)單分子器件、光子晶體器件、自旋電子器件和各類(lèi)量子信息處理器件及其集成電路,將會(huì)為信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新曙光. 1.2.1 納米光子器件 納米光子器件是基于光子的吸收、躍遷、復(fù)合等性質(zhì)研發(fā)的發(fā)光二極管、激光器、紅外探測(cè)器、光開(kāi)關(guān)、光波導(dǎo)、單光子器件、光學(xué)微腔以及光子帶隙晶體等.強(qiáng)三維量子限制效應(yīng)和類(lèi)δ函數(shù)狀電子態(tài)密度,使量子點(diǎn)激光器具有比量子阱激光器更好的激射特性.尤其是低閾值電流密度的InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs以及InAlAs/GaAIAs量子點(diǎn)激光器的研究已取得了良好進(jìn)展.利用電激發(fā)或光激發(fā)實(shí)現(xiàn)的單光子器件,在量子暗號(hào)通信中具有重要的實(shí)際應(yīng)用.采用InAs量子點(diǎn)的周期多層膜結(jié)構(gòu),在光激發(fā)和電注入條件下實(shí)現(xiàn)了具有短共振腔長(zhǎng)度和高品質(zhì)因子的單光子產(chǎn)生器件.此外,采用單電子晶體管的遠(yuǎn)紅外單光子探測(cè)器件也已試制成功,該器件的最高靈敏度可達(dá)10.21 ～ 10.22W/Hz1/2,此值為目前遠(yuǎn)紅外光探測(cè)器最高值的103 ～104 倍. 光子晶體在光電子器件方面主要有三種應(yīng)用[22]：介電反射鏡用于對(duì)光進(jìn)行反射;共振腔用于俘獲光;光波導(dǎo)用以傳輸光信息.迄今,利用二維光子晶體已制成表面發(fā)射的激光器.尤其值得注意的是,利用光子晶體還可以仿照半導(dǎo)體超晶格與量子阱那樣制成光量子阱結(jié)構(gòu),并通過(guò)調(diào)整阱寬得到不同的光子束縛態(tài)等光子效應(yīng).有人預(yù)言,光子晶體會(huì)在光子學(xué)和光電子學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮重要作用,甚至?xí)哂心撤N革命性的意義. 1.2.2 磁性納米器件 磁性納米器件也是一類(lèi)值得引起足夠重視的納米量子器件,而這類(lèi)器件的物理基礎(chǔ)則是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的自旋電子學(xué).由載流子的向上或向下自旋與磁性雜質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生一系列與自旋相關(guān)的效應(yīng),據(jù)此可以設(shè)計(jì)新型磁性納米量子器件.一般來(lái)說(shuō),自旋器件有兩類(lèi)：一類(lèi)是由鐵磁材料組成,如自旋閥、磁隧道結(jié)、巨磁阻隔離器以及磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器等;第二類(lèi)是稀釋磁性半導(dǎo)體,它們具有一系列嶄新的物理性質(zhì),如電子態(tài)的塞曼分裂、自旋電子極化、電子注入與輸運(yùn)等.預(yù)計(jì)利用自旋傳遞信息,將在量子計(jì)算和量子通信中具有良好的應(yīng)用前景[23].從自旋極化輸運(yùn)和能帶不連續(xù)性可調(diào)的角度而言,由稀釋磁性半導(dǎo)體組成的超晶格或異質(zhì)結(jié)是非常吸引人的.如對(duì)于II型InAs/GaMnSb超晶格來(lái)說(shuō),自由電子位于InAs層中,而自由空穴處于GaMnSb層中.在外磁場(chǎng)作用下,GaMnSb層中由于塞曼分裂會(huì)引起導(dǎo)帶和價(jià)帶中能級(jí)的分裂,結(jié)果使結(jié)構(gòu)變?yōu)閷?dǎo)電或者絕緣的,并且可在一層中產(chǎn)生具有一定自旋極化的電子或空穴,由此而產(chǎn)生特異的輸運(yùn)和光電性質(zhì). 1.2.3 有機(jī)納米器件 近年來(lái),隨著分子電子學(xué)、碳納米管以及有機(jī)薄膜材料研究取得的長(zhǎng)足進(jìn)展,有機(jī)納米材料及其相關(guān)器件的研究也引起了材料物理與化學(xué)家們的普遍重視.這類(lèi)器件大體由兩類(lèi)組成,即由碳納米管制作的功能器件以及利用有機(jī)納米薄膜或單分子制作的量子器件.碳納米管呈現(xiàn)出非常獨(dú)特的電子性質(zhì),其電子結(jié)構(gòu)可以顯示出金屬性質(zhì),也可以顯示出半導(dǎo)體性質(zhì),此取決于其直徑、螺旋度和單壁或多壁等結(jié)構(gòu)形式.不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、邏輯門(mén)和線路的連接元件,用來(lái)建立異質(zhì)結(jié)構(gòu).對(duì)單根單壁碳納米管的電導(dǎo)測(cè)量發(fā)現(xiàn),量子相干可在整根管上維持,表現(xiàn)出一維量子線的特性和庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象.因此,采用碳納米管作為有源區(qū),已制成了能在室溫下工作的單電子晶體管.更進(jìn)一步的目標(biāo)則是追求實(shí)現(xiàn)將單根碳納米管在芯片上組成,并組成能展示數(shù)字邏輯功能的電路,其發(fā)展前景是十分誘人的. 隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件,尤其是有機(jī)電致發(fā)光器件所取得的研究進(jìn)展,基于有機(jī)分子和有機(jī)納米團(tuán)簇的納米器件的研究也初露端倪.這些器件包括有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)分子存儲(chǔ)器、單分子電子器件及其集成電路等[24].將有機(jī)分子用于納米電子器件的研究有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：一是器件尺寸可以顯著減小,即隧道結(jié)電容足夠小;二是可以使單電子器件在較高的溫度下進(jìn)行工作,如基于單分子有機(jī)團(tuán)簇和采用雙隧穿結(jié)構(gòu)的可工作在室溫下的單電子晶體管已經(jīng)試驗(yàn)成功.單分子層石墨烯所具有的優(yōu)異特性,也將使其在未來(lái)的單分子器件中一展風(fēng)彩.
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