关键词： GaAs量子点   长波长自组装   光电流   缺陷   双层量子点结构   激光器结构   光致发光谱  

摘要： 应变自组装InAs/GaAs量子点体系无论在基础研究还是器件应用方面都有十分重要的意义。自组装量子点的成核/生长机理及其调控，以及量子点激光器的质量检测和向长波长拓展等基础理论和实际应用问题引起了人们的广泛关注和重视。针对这些问题，本文系统研究了InAs/GaAs量子点尺寸分布的规律；并对长波长InAs/GaAs量子点材料和激光器结构的生长和性质进行了深入讨论，主要内容包括：\n 1.研究了不同成核机制控制下InAs/GaAs量子点的形貌的演化规律。\n 在温度控制的成核机制下，低温(490℃-510℃)生长时，量子点的尺寸分布一般是双模的；而在高温(520-530℃)生长时，则可获得单模分布；这是因为当量子点的体积超过某个临界值时，小高宽比的形状变得不稳定并向大高宽比的形状转变，而高温下生长的量子点的体积都超过此临界值。在应力导致的模板成核机制下，当固定InAs淀积量时，随着种子层量子点密度的减小，量子点经历了小高宽比的到大高宽比的单模分布量子点的转变；即通过调节种子层量子点的密度可以获得尺寸分布均匀的大高宽比量子点，这对于长波长量子点激光器的研制有很强的参考价值。当两种成核机制都不占主导时，量子点的尺寸分布和荧光光谱都很宽，半宽达到127meV，有利于宽增益谱光电器件的应用。此外，还系统分析了不同生长温度下量子点在各个生长阶段的尺寸标度分布规律。\n 2.首次研究了在2D-3D转变点附近和在量子点密度基本达到稳定这两个生长阶段分别引入AlAs超薄插入层对InAs/GaAs量子点的成核机制以及形貌演化的影响。\n A原子力显微镜(AFM)和光致发光谱(PL)可以明显地观察到，在2D-3D转变点附近引入AlAs超薄插入层可以提高量子点尺寸分布的均匀性。我们认为引入AlAs超薄插入层后，可能在生长表面形成大量小的AlAs团簇，成为成核中心，导致2D-3D转变提前，并辅助InAs量子点同时成核，从而提高了量子点尺寸分布的均匀性。\n B在量子点密度基本达到稳定时引入AlAs超薄插入层，当其淀积量从0ML增加到0.02ML，量子点的尺寸分布从双模转变为单模，其中大高宽比量子点的密度基本不变，但是其高宽比的数值逐渐减小；小高宽比量子点的密度逐渐减小为零。这说明，AlAs超薄层的引入可以在一定范围内调控量子点的尺寸模式分布、密度及高宽比的大小。\n 3.发展了一种检测量子点激光器管芯质量的简便方法\n 通过测量不同生长条件、1.3μm量子点激光器管芯的光电流谱，观察到激光器管芯的积分光电流强度随反向偏压的增加而增加的趋势与激射阈值电流密度大小密切相关。我们认为在阈值电流密度高的激光器管芯中，在一些量子点附近(～几个纳米间距)存在带电荷的缺陷中心(例如带负电的VGa-O缺陷中心)，这些缺陷中心与量子点中的空穴间形成很强的局域电场，大大降低了量子点的势垒高度，加速了载流子的逃逸过程，使光电流强度迅速增大；在正向注入时，势垒高度的降低则可造成阈值电流密度的上升。\n 4.利用垂直耦合量子点生长技术，采用高温、低速生长条件，获得较低密度、尺寸较大的量子点做为种子层；选择合适的间隔层厚度；在低温、低速条件下生长上层量子点，成功地将InAs量子点的室温发光波长延长至1.41μm。同时快速热退火研究发现上层量子点生长温度的降低、种子层量子点尺寸的增加以及间隔层厚度的减小会降低量子点结构的温度稳定性，这表明激光器结构中上限制层需要选择较低的生长温度。此外还发现间隔层高温退火处理有利于量子点结构温度稳定性的提高及光谱宽度的减小。这些研究结果为长波长量子点激光器的研制打下了基础。

关键词： Si基量子级联激光器   n型能带结构   太赫兹波段   Si1-yGey赝衬底   SiGe材料   低温生长  

摘要： 太赫兹波是频率处于0.1-10THz(1THz=1012Hz)范围的电磁波，有着广阔的应用前景。由于缺乏理想的光源，太赫兹波仍未被完全开发和认识。基于半导体超晶格材料的量子级联激光器是实现太赫兹激光的很好的途径。近十几年基于Ⅲ-Ⅴ族材料的量子级联激光器取得了巨大成就，波长覆盖中红外和太赫兹波段，中红外的量子级联激光器已经实现了室温连续工作，对于太赫兹波段，由于极性光学声子散射的限制很难实现室温工作。Si/Si1-xGex超晶格结构声子散射受温度影响小，实验证明子能级寿命在4K～300K温度范围内基本不变。Si基量子级联结构有希望实现室温下的太赫兹激光。\n 本论文设计了n型的Si基量子级联激光器的能带结构，安装、调试了双生长室UHV/CVD系统，利用新方法制备了Si1-yGey赝衬底，实现了SiGe材料的低温生长。\n 利用有效质量近似和nextnano3软件，设计了两种新的n型的Si基量子级联能带结构。第一种结构创新性的利用Si0.15Ge0.85/Ge超晶格Ge层中的Γ量子阱设计了“声子散射耗尽型”的能带结构。第二种能带结构基于Si0.22Ge0.78/Ge超晶格，激射能级是Ge层中L量子阱中的子能级，引入Γ-L谷间散射将激射下能级的电子快速的转移到下个周期的激射上能级。对于第二种结构，300K时，激光器TM模的微分增益可以达到130 cm/KA，当温度从50K变到300K时，阈值电流从0.25KA/cm2变到0.53KA/cm2。\n 为了生长Si基的超晶格结构，合作设计、安装、调试了双生长室UHV/CVD系统。生长室安装了固源炉和射频原子源，还引入ArF准分子激光，可以进行多种新元素的生长以及激光辅助生长和原位退火。利用这个系统实现了SiGe材料的低温生长。\n 本论文介绍了一种新的赝衬底的制作方法，通过1200℃热退火Si1-xGex/Ge/Si结构得到了高质量的Si1-yGey赝衬底。表面粗糙度0.7nm，表面没有观测到cross-hatch结构。TEM测试显示插入的Ge层大大降低了界面失配位错的密度。XRD测试也证明了这种高质量的Si1-yGey赝衬底。利用这种赝衬底制作了应力Sin沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管(nMOSFET)，将源漏电流提高了60％，载流子迁移率提高了40％。\n 为了实现低温生长Si基量子级联超晶格，改进了UHV/CVD的生长工艺和衬底清洗工艺。成功得在485℃无液氮冷却和无高温脱氧的情况下生长了高质量的SiGe材料，确定了Ge组分以及生长速率等相关参数。\n Si1-yGey赝衬底的制备和低温生长的探索为利用UHV/CVD生长Si基量子级联结构奠定了基础。

关键词： 量子主方程   量子输运   量子测量   散粒噪声   自旋流噪声   量子点系统  

摘要： 为了描述电子在介观系统中的输运，我们建立了一套系统的计算电流和散粒噪声的量子主方程方法。主要的推导的思路如下。首先，我们对电极和系统的耦合Hamiltonian作二阶微扰展开，然后对电极的热库态求条件性的平均，从而得到了一个关于约化系统密度矩阵的粒子数分辨的量子主方程。基于这个方程，我们建立了一套系统的描述电子输运特性的方法。\n 我们所建立的这套方法用来计算输运性质具有很宽的适用范围，以及在应用方面有很多优点。(i)与Gurvitz等人的多粒子波函数方法相比，我们的量子主方程方法适用于有限温度，并且在实际应用中对大电压的要求不明显。(ii)建立的粒子数分辨的主方程方法更具“扩展性”。例如可以对它进一步作系统的修正，从而使得这一方法能够适用于任意电压，还能够对多体Kondo效应等问题进行深入的研究。(iii)与非平衡Green函数相比，我们的方法更加简单，而且对约化体系内的多体相互作用是严格处理的。此外，它更加适合电荷的涨落，以及电荷输运的全计数统计等方面的研究。\n 此外，我们还介绍了这个方法在不同量子点系统中的应用。(i)无相互作用的单能级量子点。我们通过很简单和直接的方式得到了著名的双势垒共振隧穿的结果。(ii)单能级的量子点，存在多体Coulomb相互作用和Zeeman分裂。我们把以前文献中的零频噪声的结果推广到了有限频率的结果。同时发现有限频率的噪声对内部动力学以及隧穿耦合强度的非对称性更敏感。(iii)耦合的量子点在不同的偏压区：无相互作用区域，单量子点以及双量子点Coulomb阻塞区域。点内以及点间的Coulomb相互导致噪声谱中出现独特的行为。\n 我们还研究了与铁磁电极接触的耦合量子点中的自旋相关噪声谱。方法上，我们采用了自旋分辨的量子主方程，它可以通过推广我们前面的粒子数分辨的量子主方程得到。由于铁磁电极的自旋极化，Coulomb相互作用，以及双量子点间的隧穿耦合之间的竞争机制，使得自旋相关的自关联以及互关联等噪声谱表现出了相当丰富的行为。\n 最后，我们提出了利用输运双量子点系统作为量子比特测量仪器的想法，并具体的研究了它的输出特性。例如，通过对电流对比度的研究发现，双量子点测量仪器与单量子点测量仪器相比更适应温度的变化。此外，我们还讨论了它的信噪比。通过研究各种不同几何结构对测量的影响，如左右隧穿耦合强度的对称性，电容耦合对称性等，我们发现，在适当的对称性条件下，双量子点测量仪器的信噪比可以接近QPC的理论极限，从而达到理想的量子极限测量。

关键词： 半导体激光器   激光材料   激射波长   能带结构   禁带宽度  

摘要： 本文从理论上分析了InP基砷化物和锑化物半导体材料的基本性质，主要包括通过二元系和三元系材料参数线性插值计算工nGaAlAs，InGaAsSb四元系材料的晶格常数、禁带宽度等，并在禁带宽度的计算中考虑了能带弯曲引起的修正量(bow)。在此基础上采用有效质量模型下的4×4 Luttinger-Kohn哈密顿量矩阵对InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱的能带结构、激射波长进行理论分析和设计优化讨论，并采用力学平衡模型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。通过这些理论分析，优化了激光器的结构和各层材料的组分、厚度等参数，为材料生长和器件制备提供了理论依据。\n 众所周知，InP为衬底的半导体激光器作为光纤通信用光源起着重要作用，并在1.3μm和1.55μm光纤通信波段已经有高性能的单模激光器得到了实用化。InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱材料虽然波长范围相对较窄(1.6-2.

关键词： 晶格格林函数   电子波导   量子输运  

摘要： 在系统介绍晶格格林函数及其方法的基础上,具体研究了一半无限长电子波导的量子输运问题,并对所得结果的物理意义进行了讨论.

关键词： 量子点   电导   格林函数  

摘要： 利用非平衡格林函数方法,研究了无库仑相互作用的一维复式量子点阵列的电子输运性质,得到了隧穿电流的一般解析式,讨论了量子点参数对共振隧穿电流的影响。

关键词： 量子阱   驱动频率   电流  

摘要： 采用Gurvitz等人直接求解薛定谔方程的方法并结合数值计算,分析了驱动频率对周期耦合量子阱体系的电流的影响.结果表明:当驱动频率小于耦合量子阱间的能级差时,随着驱动频率的增大,系统平衡时的电流增加,当驱动频率大于耦合量子阱间能级差时,随着驱动频率的增大,平衡时的电流减小.这样,通过控制外场驱动频率来达到控制电流的目的.

关键词： 声学声子输运   热导   量子体系  

摘要： 采用散射矩阵方法,研究了在应力自由和硬壁两种典型的边界条件下含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导性质.结果表明在两种边界条件下声子透射谱和热导有着不同的特征.在应力自由边界条件下,能观察到普适的量子化热导现象,当结构为一理想的量子线时,在低温区域有一个量子化平台出现,而当半圆弧形结构存在时,非均匀横向宽度引发的弹性散射使得量子化平台被破坏;在硬壁边界条件下,不可能观察到量子化热导现象,热导随温度的增加单调上升;计算结果表明还可以通过调节半圆弧形结构的半径来调控声子的输运概率和热导.

关键词： 介观体系   电子输运   磁效应  

摘要： 运用模匹配方法和求解单电子薛定谔方程,来演示非对称T型磁量子结构的电子输运性质.结果表明,结构因子和磁势垒都能改变电子散射模数,电子输运谱因此变得复杂而丰富,散射区域出现了完全局域态和磁边缘态.在特定的结构参数和磁场强度下,能观测到宽谷、尖峰、共振透射和共振反射等电子输运现象,即可以通过调节磁场大小和结构参数来实现波矢过滤.

关键词： 量子态   物体   输运   墨尔本大学   模拟实验   澳大利亚   Rab  

摘要： 量子态物体可不经过两地间的各处从一地到达另一地．这是以Masum Rab为首的澳大利亚墨尔本大学的一个小组所进行的一项模拟实验得出的结论．