将21世纪诺奖实验引入大学物理实验教学——LED中的量子斯塔克效应

目前大学物理实验中所涉及的诺贝尔物理学奖实验多为20世纪的经典实验.百年经典诺奖的实用价值和教育意义已被实践验证.为了深入探索最新诺奖成果的教育价值,使大学生的实验教学与时俱进,与前沿研究接轨,本文将2014年的发光二极管(LED)诺奖实验引入大学物理实验.首先,使学生掌握可见光LED中的多量子阱结构及其发光机理.重点追踪中村修二获奖后对LED的更深入研究,通过对LED发光光谱随注入电流变化的研究,向学生直观展示LED中的量子限制斯塔克效应,并计算出量子阱中压电电场的强度.

Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真

硅基光子学已被广泛认为是能实现片上光电子集成的有效平台,然而迄今为止,对硅基光源、探测器以及调制器等硅基有源器件的研究仍然具有一定的挑战性。为此,提出并仿真分析了一种可以用于实现硅基强度调制的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构。首先,利用8带k·p理论模型对耦合量子阱的能带结构和电子波函数进行了仿真计算;然后,详细分析了外加电场强度在0 kV/cm至60 kV/cm范围内,非对称耦合量子阱对TE和TM偏振模式的传输光的光吸收谱随外加电场强度的变化。仿真结果表明,对于TE偏振模式的传输光,在无外加电场强度条件下,非对称耦合量子阱的第一个吸收带边约在1449 nm处;而在30 kV/cm外加电场下,该量子阱的吸收带边相比于无外加电场情况向长波方向移动约22 nm,比相同外加电压下的普通量子阱显著。本工作所提出的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构是一种有望实现更低工作电压、更高速和更低损耗硅基强度调制器的结构。

量子限制效应对限制在多量子阱中受主束缚能的影响

从实验和理论上,研究了量子限制效应对限制在GaAs/AlAs多量子阱中受主对重空穴束缚能的影响.实验中所用的样品是通过分子束外延技术生长的一系列GaAs/AlAs多量子阱,量子阱宽度从3nm到20nm,并且在量子阱中央进行了浅受主铍(Be)原子的δ掺杂.在4,20,40,80和120K不同温度下,分别对上述系列样品进行了光致发光谱(PL)的测量,清楚地观察到了受主束缚激子从1s3/2(Γ6)基态到同种宇称2s3/2(Γ6)激发态的两空穴跃迁,并且从实验上测得了在不同量子阱宽度下受主的束缚能.理论上应用量子力学中的变分原理,数值计算了受主对重空穴束缚能随量子阱宽度的变化关系,比较发现理论计算和实验结果符合较好.

电子束泵浦氧化锌基量子阱的斯塔克效应

在不同功率密度的电子束泵浦条件下,对ZnO/Zn0.85Mg0.15O非对称双量子阱的荧光光谱进行了研究,并采用蒙特卡罗仿真模拟对测试结果进行了分析。模拟的结果和实验结果高度吻合。观测到了不随穿透深度变化的阱区发光峰红移,证明表面电荷积累引起了量子限域斯塔克效应。

浅谈LED外延生长的量子限制斯塔克效应

氮化物体系LED由于存在大的极化效应,量子限制斯塔克效应显著,即量子阱的能带发生倾斜,电子和空穴在空间分离,辐射复合效率下降。通过引入新型外延结构,可以降低极化电场的影响,从而提高内量子效率。本文采用阶梯型量子阱的新结构设计削弱量子限制斯塔克效应,提高电子和空穴的有效辐射复合几率。

ZnCdTe-ZnTe多量子阱的电场效应

本文报导了电场作用下ＺｎＣｄＴｅ－ＺｎＴｅ多量子阱的激子发光特性．用激子局域化的观点解释了激子发光峰随电场增强而增强的现象．在Ｚｎ０．８Ｃｄ０．

蓝光激光器结构中InGaN/GaN多量子阱界面效应的精细光致发光光谱研究

金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备InGaN/GaN多量子阱结构时,在GaN势垒层生长的N_(2)载气中引入适量H_(2),能够有效改善阱/垒界面质量从而提升发光效率。本工作利用光致发光(PL)光谱技术,对蓝光激光器结构中的InGaN/GaN多量子阱的发光性能进行了精细的光谱学测量与表征,研究了通H_(2)生长对量子阱界面的调控效应及其发光效率提升的物理机制。室温PL光谱结果显示,GaN势垒层生长载气中引入2.5%的H_(2)使InGaN/GaN多量子阱的发光效率提升了75%、发光峰的峰位蓝移了17 meV、半峰宽(FWHM)减小了10 meV。通过功率依赖的PL光谱特征分析,我们对InGaN/GaN量子阱中的量子限制Stark效应(QCSE)和能带填充(Band Filling)效应进行了清晰的辨析,发现了发光峰峰位和峰宽的光谱特征主要受QCSE效应影响,H_(2)的引入能够大幅度降低QCSE效应,并且确定了QCSE效应被完全屏蔽情况下的发光峰能量为2.75 eV。温度依赖的PL光谱数据揭示了通H_(2)生长量子阱结构中显著减弱的载流子局域化行为,显示界面质量提高有效降低了限制势垒的能量波动,从而导致更窄的发光峰半峰宽。PL光谱强度随温度的变化规律表明,通H_(2)生长并不改变量子阱界面处的非辐射复合中心的物理本质,却能够显著减少非辐射复合中心的密度,有助于提升量子阱的发光效率。通过时间分辨PL光谱分析,发现通H_(2)生长会导致量子阱结构中更短的载流子辐射复合寿命,但不影响非辐射复合寿命。载流子复合寿命的变化特征进一步确认了通H_(2)生长对量子阱结构中QCSE效应和非辐射复合中心的影响规律。综合所有PL光谱分析结果,我们发现通H_(2)生长能够提高InGaN/GaN多量子阱的界面质量、显著减弱应力效应(更弱的QCSE效应)、降低限制势垒的能量波动以及减少界面处非辐射复合中心的密度,从而显著提升量子阱的发光效率。该研究工作充分显示了PL光谱技术对半导体量子结构发光性能的精细表征能力,光谱分析结果能够为InGaN/GaN多量子阱生长提供有价值的参考。

量子限制效应对受主跃迁的影响

通过光致发光光谱,研究了量子限制效应对GaAs体材料中均匀掺杂和一系列GaAs/AlAs多量子阱(阱宽范围从30(?)到200(?))中δ-掺杂浅受主杂质铍(Be)原子带间跃迁的影响。实验中所用的样品是利用分子束外延技术生长的均匀掺Be受主的GaAs外延层和一系列在量子阱的中央进行了浅受主Be原子δ-掺杂的GaAs/AlAs多量子阱。在4.2K的低温下,测量了上述样品的光致发光谱,很清楚地观察到了受主束缚激子从基态1S_(3/2)(Γ_6)到两个激发态2S_(3/2)(Γ_6)和3S_(3/2)(Γ_6)的双空穴跃迁。研究发现,随着量子限制效应的增强,受主跃迁能量会增加。对量子限制效应调节受主杂质间跃迁能量的研究,进一步增强了对受主能态可调性的认识,为太赫兹远红外发光器或激光器的研发提供了一种新的途径。

GaAs/AlAs量子阱中受主束缚能和光致发光

从实验和理论上，研究了量子限制效应对GaAs／AlAs多量子阱中受主对重空穴束缚能的影响。实验中所用的样品是通过分子束外延生长的一系列GaAs／AlAs多量子阱，量子阱宽度为3—20nm，并且在量子阱中央进行了浅受主Be原子的δ-掺杂。在4，20，40，80，120K不同温度下，分别对上述样品进行了光致发光谱测量，观察到了受主束缚激子从基态到激发态的两空穴跃迁，并且从实验上测得了在不同量子阱宽度下受主的束缚能。理论上应用量子力学中的变分原理，数值计算了受主对重空穴束缚能随量子阱宽度的变化关系，比较发现，理论计算和实验结果符合地较好。

外电场下极性量子阱中杂质态结合能(英文)

我们用变分方法研究了外电场下量子阱中的杂质态结合能,计算中既考虑了电子同体纵光学声子和界面光学声子的相互作用又考虑了杂质中心同体纵光学声子和界面光学声子的相互作用。我们以GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱为例,讨论了结合能随杂质位置、阱宽和电场强度的变化规律。得到了电子-声子相互作用对杂质态结合能和斯塔克效应的修正是相当明显的。

ZnCdO/ZnO单量子阱结构及其荧光发射特性

采用激光分子束外延方法在Al_2O_3(0001)单晶衬底上进行了Zn_(1-x)Cd_xO/Zn_O单量子阱结构的生长,通过控制基底温度、氧气分压等,获得了阱宽约为1.0,1.5和4.0 nm的单量子阱结构,研究了量子阱组分、表面形貌、荧光发射特性.结果表明,通过脉冲激光烧蚀陶瓷靶的方法获得的Zn_(1-x)Cd_xO中Cd含量x约为2%,外延膜表面平整均匀,界面质量良好,在325 nm He-Cd激光激发下,获得了非常强的光致荧光发射,1.0 nm量子阱结构荧光发射峰半高宽达到60 meV,通过量子阱宽度的调控,量子阱的发射峰从3.219 eV红移到3.158 eV,且随着阱宽的增加,量子限制效应变弱(阱宽4.0 nm样品),通过生长温度、气压条件的控制,量子阱的缺陷密度可控制在较低水平.

垒层温度对InGaN量子点/量子阱复合结构内量子效率的影响

使用金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)方法生长了三个具有不同垒层温度的InGaN/GaN量子阱。由于高密度V型坑的形成,完整的量子阱结构被破坏,转变成了InGaN量子点(quantum dots,QDs)/量子阱(quantum well,QW)复合结构。通过变功率光致发光谱和变温光致发光谱,分析了在不同的垒层温度下量子限制斯塔克效应(quantum confined Stark effect,QCSE)、非辐射复合中心密度和载流子局域化效应的变化。结果表明:在较低的垒层温度下,QCSE较弱,因为在较低的温度下,V型坑的深度较深,应力释放较明显,残余应变较低;非辐射复合中心密度也随着温度的升高而逐渐增大;样品的内量子效率(internal quantum efficiency,IQE)随着垒层生长温度的升高而降低。QCSE的增强和非辐射复合中心密度的增大是垒层生长温度升高时内量子效率下降的主要因素。

太赫兹量子阱探测器性能研究及提高

提出了一个砷化镓基(GaAs/Al_(0.04)Ga_(0.96)As)太赫兹量子阱探测器,并对其光电流谱和背景噪声限制温度进行了表征,得到峰值响应频率为6.78 THz,背景噪声限制温度为16 K.理论上,首先,考虑多体效应对器件能带结构的影响,计算得峰值响应频率为6.64 THz,考虑到制备过程中的误差(THz器件较中红外器件,铝组分低,阱宽窄),理论与实验吻合的较好,证实了多体效应在太赫兹量子阱探测器中的重要影响;然后,对器件的电流电压特性进行研究,计算得到背景噪声限制温度为17.5 K,与实验吻合.太赫兹量子阱探测器较低的工作温度,极大限制了其应用,提出了两种实现高温探测的方法:(1)引入光学汇聚天线,提高器件背景限制温度,计算结果表明当引入增强系数为10~6倍的天线时,其背景噪声限制温度达到97 K(远高于液氮温度77 K);(2)太赫兹量子阱探测器与太赫兹量子级联激光器联用,可实现信号噪声限制模式,从而实现高温探测.计算表明,当激光器功率达到0.003 mW/μm^2,器件的工作温度可达77K.

垒层Si掺杂对多量子阱InGaN绿光LED性能的影响

InGaN系绿光LED的量子阱结构具有较高的In含量,InN与GaN之间较大的晶格失配度使得绿光器件的量子限制Stark效应更显著。对内建电场的屏蔽可以有效提高载流子的辐射复合效率。论文探讨了绿光多量子阱中垒层的Si掺杂对绿光器件性能的影响。研究发现,多量子阱中垒层适度Si掺杂(3.4×1016 cm-3)可以改善多量子阱结构界面质量和In组分波动,在外加正向电流的作用下更大程度地屏蔽极化电场;同时,还能够增强电流的横向扩展性,提高活化区的有效发光面积。然而,多量子阱中垒层的过度Si掺杂对于绿光LED器件的性能带来诸多的负面影响,比如加剧阱垒晶格失配、漏电途径明显增加等,致使器件光效大幅度降低。

预应变InGaN/GaN多量子阱发光特性调控研究

为了减弱InGaN/GaN量子阱内的压电极化场,在蓝紫光InGaN/GaN多量子阱激光器结构中采用了预应变InGaN插入层,通过变温电致发光和高分辨X射线衍射测量研究了预应变插入层对量子阱晶体质量和发光特性的影响。实验结果显示,常温下有预应变层的量子阱电致发光谱积分强度显著提高。模拟计算进一步表明,预应变层对量子阱内压电极化场有调制效果,有利于量子阱中的应力弛豫,可以有效减弱量子限制斯塔克效应,有助于提高量子阱的发光效率。

应变In_xGa_(1-x)As/Al_(0.15)Ga_(0.85)As多量子阱的电光双稳

在垂直于异质界面电场存在的情况下,用光电流光谱学研究了分子束外延生长的应变 InxGa1-xAs/Al0.15Ga0.85As 多量子阱的光学吸收性质。在体 GaAs 衬底透明的波长范围内,观察了量子限定斯塔克效应。室温下无须去除 GaAs 衬底,显示出自电光效应器件的光学双稳性。

不同形状量子阱的量子限制效应

采用差分法求解有效质量方程，考虑轻重空穴的混合效应及应变效应，对三种不同形状的量子阱的能带结构、价带态密度、跃迁矩阵元进行了比较。在阱宽相同的条件下，方阱有最大的限制能力，但抛物阱和三角阱有更平坦的态密度曲线，使得以抛物阱和三角阱为有源区的激光器和半导体激光放大器可以有较低的透明电流密度。同时价带子带的耦合强烈改变了跃迁矩阵元，这对量子阱的增益特性会产生影响。

量子限制斯达克效应对三角形量子阱吸光特性的影响

本文通过计算量子力学波动方程以及载流子传输特性,哈密顿量的H能谱图和边界条件等的理论方法来分析量子限制斯达克效应对三角形量子阱体系吸收特性的影响,说明了选择合适的量子阱垒层对于提高三角形量子阱吸光率具有重要的意义。

SEED光开关的响应时间及扩散特性分析

介绍了自电光效应器件(SEED)的基本结构及工作原理,通过对其等效电阻-电容(RC)模型的分析,得出SEED电压-时间(V-t)特性及电压-半径(V-r)扩散特性的表达式.为优化器件性能,利用仿真,在不同光斑尺寸控制光入射下,对SEED的开关性能进行比较.结果表明,采用光斑半径较小的控制光入射可提高SEED的开关速度;SEED只有在控制光入射中心处才能保持其良好的开关特性.

MQW EA调制器用于短脉冲光子源驱动条件的优化设计

本文分析了多量子阱电吸收调制器（MQW EAM）的非线性损耗特性,从时域和频域两个方面讨论了MQW EAM驱动条件与输出光脉冲特性的关系.数值计算结果证明EAM产生的脉冲形状比较接近Gauss脉冲,具有较小的啁啾,接近于变换限的光脉冲,十分适用于高速时分复用系统.