半导体中的自旋弛豫——从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。

用静压光致发光研究GaAs/AlAs短周期超晶格的Ⅰ一Ⅱ类超晶格转变点

近年来,GaAs/AlAs短周期超晶格的研究受到越来越多的重视。

GaAs/Ga_(0.7)Al_(0.3)As超晶格中场致激子峰展宽机制的研究

我们利用光电流谱在10—300K温度范围内研究了GaAs/Ga_(0.7)Al_(0.3)As(35A/35A)短周期超晶格中的Wannier-Stark效应,实验发现0h激子峰随电场的增加而展宽。我们把激子峰的场致展宽归因于:Wannier-Stark局域化使界面的涨落对电子态的散射增加而使激子峰展宽。这种与电场有关的散射机制会使L.Esaki和Tsu所预期的超晶格的负微分电阻效应减小。

GaAs/AlAs超晶格中的纵光学声子模的近共振散射研究

在室温和背散射配置下,测量了GaAs/AlAs超晶格的Raman散射光谱.样品用分子束外延方法生长在(001)晶向的半绝缘GaAs衬底上.激发光源用Kr离子激光器的6471A和 6764A线.在近共振散射下,由于弗洛里希作用的共振增强效应,具有A_1对称性的LO偶模的散射强度远远强于具有 B_2对称性的奇模.但偶模仅在偏振谱中观测到,在退偏振谱中观测到的仍是奇模,仍然和非共振散射下的情况一样,有同样的偏振选择定则。此外,二级散射谱也观测到了.

GaAs／AlAs波纹超晶格中的激子局域化研究

本文首次报道（３１１）面上生长的ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ波纹超晶格中的激子局域化效应．在这种结构中，波纹异质结界面的缺陷，包括周期微扰和表面不平整将引入较深的激子束缚能级，因此低温下其发光能量相对于（１００）样品发生明显的红移．在Ⅱ类超晶格中，局域化能级成为Ｘ能谷电子向能谷输运的通道，从而加强了Ｘ－电子态混合，使实验观察到的Ｘ跃迁表现出跃迁的某些性质．

GaAs/AlAs超短周期超晶格中的纵光学声子模

在室温和非共振条件下,测量了超短周期(1—3个单层)GaAs/AlAs超晶格的 Raman散射光谱.样品用分子束外延方法生长在(001)晶向的半绝缘 CaAs衬底上.实验结果表明,在这种超短周期超晶格中存在两种作用:一种是光学声子的限制效应,另一种是混晶化效应.对于单层超晶格,在各种散射配置下的 Raman光谱都与Al(0.5)Ga_(0.5)As三元混晶的Raman光谱十分相似.而对于4个单层或者更厚的超晶格样品,混晶化效应基本可以忽略,仅仅表现为界面效应,光学声子的限制效应起主导作用.

GaAs/GaAlAs超晶格的Wannier-Stark效应

我们用光电流谱方法在室温和低温下观察了短周期GaAs(35A)/Ga_(0.7)Al_(0.3)A_3(35A)超晶格的Wannier-Stark效应.在中等电场下,观测到了反映等能量间距的“Stark梯”的谱形.并且发观了激子态由于场致局域化导致的由准三维向准二维转变.我们详细地讨论了跃迁强度随电场的变化,与应用夏建白等提出的计算模型得出的结果十分符合,证明了光电流谱中的结构,即使在较低的 10~4V/cm的电场下是由于 Wannier局域化引起,而不可能是鞍点激子引起的.

流体静压力下窄势垒GaAs/AlAs超晶格的低温纵向输运

我们研究了７７Ｋ温度下掺杂弱耦合ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ窄垒超晶格在流体静压力下的垂直输运，发现其输运性质与宽垒超晶格有很大不同．当在压力下ＡｌＡｓ垒层中的Ｘ基态子能级降至ＥΓ１子能级和ＥΓ２子能级中间或更低能量位置时，未观察到Γ－Γ共振隧穿到Γ－Ｘ共振隧穿的转变，Ｉ－Ｖ曲线上的平台并未随压力增大而收缩，反而稍有变宽．同时，平台电流随压力增大而增加，直到与ＥΓ１－ＥΓ１共振峰电流相当．我们认为，由于垒层很薄，Γ电子隧穿通过垒层的几率很高，ＥΓ１－ＥΓ１共振峰显著高于ＥΓ１－Ｅｘ１共振峰，因此，高场畴区内的输运机制在压力下仍由Γ－Γ级联共振隧穿控制．但由于Ｘ子能级随压力升高而降低，导致隧穿通过Γ－Ｘ垒的几率增加，非共振背景电流增大．由于电流连续性条件的要求，高场区的电场强度增强，导致在高压力下平台宽度随压力稍微变宽．

GaAs/GaAlAs量子阱双色红外探测器的光电性质的研究

本文综述了有关新型的GaAs／AlGaAs体系双色量子阱红外探测器的结构特性和光电特性的研究工作．双色探测器工作在3～5μm及8～12μm大气窗口波段范围，是光伏响应模式和光导响应模式相结合的偏压控制型两端器件．研究内容包括探测器的器件结构特性、红外光吸收特性、红外光电流响应、暗电流、噪声特性和探测率测试分析等等．首次从理论和实验两方面探讨有关量子阱束缚子能带到扩展态中不同虚能组之间的光跃迁问题及光电子输运问题．

InAs/GaAs自组织生长量子点结构中浸润层光致发光研究

当激发光能量小于GaAs势垒带边能量时，在InAs量子点结构中，清楚地观察到与InAs浸润层有关的发光峰．研究表明，此发光峰主要来源于浸润层中局域态激子发光，局域化能量为12meV，发光具有二维特性．在相同的生长条件下，此发光峰位置与InAs层的厚度基本无关．这些结果有助于进一步深入研究浸润层的形貌和光学性质．

(CdTe)_m(ZnTe)_n-ZnTe多量子阱结构的静压光致发光和共振喇曼散射研究

(CdTe)_m(ZnTe)_n-ZnTe多量子阱是由(CdTe)_m(ZnTe)_n短周期超晶格限制在ZnTe势垒中组成的新结构。它可以提高CdTe/ZnTe异质生长的临界厚度。静压下的光致发光研究表明加压后(CdTe)_m(ZnTe)_n超晶格和ZnTe势垒层的光致发光峰分别以8.80和 9.47meV/kbar的速率向高能移动。利用这种静压下的带隙变化,实现了与514.5和488.0nm激发光的共振喇曼散射。观察到高达4阶的多声子共振喇曼散射。并发现与(CdTe)_m(ZnTe)_n超晶格共振时的类ZnTe LO声子模频率比与ZnTe热垒共振时的ZnTe LO声子频率低1.4cm^(-1)。反映了在(CdTe)_m(ZnTe)_n超晶格中LO声子的局域效应。

P-InP MIS结构界面陷阱的深能级研究

对经PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)生长的P-InP MIS结构的界面陷阱进行了研究。样品介质膜生长是在特定条件下进行的。分别利用C-V和DLTS(Deep Level Tran sient Spectroscopy)技术进行研究。结果表明,在介质膜和InP之间的InP一侧有界面陷阱存在,并获得了与之有关的深能级参数。这些陷阱可能是在不同生长条件的介质膜淀积过程中等离子体引进的有关辐照损伤。

钛溅射和硅化钛形成在硅中引进深能级的研究

利用DLTS技术详细研究经钛溅射和RTA950℃处理在n型和p型硅里引进的深能级.结果表明在n型硅里有二个,在p型硅里有三个深能级生成.这些能级的浓度在10^(13)—10^(14)cm^(-3)之间.它们的产生可归因于替位钛原子,钛与RTA相互作用的络合物.

3～5微米双势垒量子阱红外探测器结构在不同偏压下的光伏响应

首次采用不同偏压下的光伏谱方法无损测量到双势垒量子阱红外探测器结构的量子阱带间跃迁光伏谱响应．分析结果支持探测器有源区存在内建电场的说法：量子阱区存在由生长不对称引起的指向衬底的内建电场，同时势垒区存在相反的内建电场．

GaAs／GaAlAs中红外量子阱探测器和双色量子阱红外探测器

本文报道我们在国内率先研制的ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ中红外（３～５μｍ）量子阱探测器和双色量子阱红外探测器的制备和性能．ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ中红外量子阱探测器是光伏型，探测峰值波长为５．３μｍ，８５Ｋ下的５００Ｋ黑体探测率为３．０×１０９ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，峰值探测率达到５×１０１１ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，阻抗为５０ＭΩ．ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ双色量子阱红外探测器是偏压控制型的两端器件，在零偏压下该探测器仅在３～５μｍ波段有响应，响应峰值波长为５．３μｍ，８５Ｋ温度下５００Ｋ黑体探测率为３．０×１０９ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，当偏压为２Ｖ时，该探测器的响应切换到８～１２μｍ波段，峰值响应波长为９．０μｍ，８５Ｋ温度下的黑体探测率为１．０×１０９ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ．

δ掺杂硅n-i-p-i结构多量子阱吸收边的漂移

本文报告了在δ掺杂硅ｎ－ｉ－ｐ－ｉ结构多量子阱中使用光电流技术观测到吸收边的场驱动蓝移，它不同于在ＧａＡｓ和ＧｅＳｉ超晶格中观察到的结果．这个新现象能够被载流子注入引起有效带隙的展宽所解释．基于有效质量近似，计算了自洽势和有效带隙随额外载流子浓度的变化，理论结果证实了实验结果的正确性．

p型Si_(1-x)Ge_x应变层中重掺杂禁带窄变的计算

针对应变Si_(1-x)Ge_x的应变致价带分裂和重掺杂对裂值的影响,提出了该合金价带结构的等价有效简并度模型。模型中考虑了非抛物线价带结构。应用这个模型,计算了赝晶生长在<100>Si衬底上的p型Si_(1-x)Ge_x应变层的重掺杂禁带窄变,发现当杂质浓度超过约2～3×10^(19)cm^(-3)后,它在某一Ge组分下得到极大值,而当掺杂低于此浓度时,它则随Ge组分的增加单调下降。与实验报道的对比证实了本模型的有效性。

自组织生长的量子点结构及其光学特性

本文介绍量子点结构的自组织生长方法及量子点的光学性质。着重介绍量子点结构中的声子和拉曼散射的测量结果。此外，也介绍了自组织生长的量子点的形貌结构特性，电子结构和发光特性。

GaAs/AlGaAs量子点阵的制备及其荧光特性

采用电子束曝光和反应离子刻蚀的工艺，将ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子阱外延材料制成量子点阵，其光荧光谱显示出蓝移，并且蓝移量随着量子点直径尺寸的减少而增大．

自组织生长InAs量子点发光的温度特性

本文报道ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ自组织生长量子点结构中发光的温度特性．在１２～１５０Ｋ温度范围内，实验测得的ＩｎＡｓ激子发光能量随温度增加明显红移，其红移速率远大于ＩｎＡｓ带隙的温度关系，而光谱宽度则明显减小．这些结果表明ＩｎＡｓ量子点结构是一种强耦合系统，局域在ＩｎＡｓ量子点中的载流子波函数会相互交途、相互贯穿，从而增强了载流子的弛豫过程．