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带隙可控调制的半导体纳米三脚架激光器及其光学性质研究

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带隙可控调制的半导体纳米三脚架激光器及其光学性质研究

作者：杨茜太原理工大学

学位级别：硕士

自从1960年第一台激光器被科学家发明出来,激光对我们的日常生活以及科学技术的各个领域都产生了深远的影响,比如:固态照明、光通信、光学数据存储、医疗成像、军事激光等等。随着科学技术的飞速发展,人们对于激光器件研究趋于多样化。2... 详细信息

自从1960年第一台激光器被科学家发明出来,激光对我们的日常生活以及科学技术的各个领域都产生了深远的影响,比如:固态照明、光通信、光学数据存储、医疗成像、军事激光等等。随着科学技术的飞速发展,人们对于激光器件研究趋于多样化。2001年,杨培东教授首次实现了基于Zn O纳米线的半导体纳米激光器,从此开启了人们对于激光技术及其前沿领域——半导体纳米激光器领域的不断探索。半导体纳米激光研究聚集半导体纳米科学与技术领域,是纳米光子学和半导体物理等多学科交叉融合的产物。纳米激光器的尺寸相当于或小于所涉及波长的微型激光器,具有体积小(纳米级)、易于集成、高品质因子、单色性好、高量子效率和高发光效率的优势。另外,半导体带隙工程是调谐半导体材料光电子性能的关键,是实现波长可调谐光电子器件的一项重要技术。半导体因其在成分控制和带隙调制方面具有更大的灵活性,为实现可调谐的光电器件提供了新的机遇。然而,纳米级半导体激光器要实现室温条件下发射范围宽、输出稳定、模式可调、高品质因子的激光仍是一件具有挑战性的工作。纳米三脚架因其特殊的形貌结构,会产生不同于纳米线、纳米片结构的激光振荡路径,得到不同发射模式的激光(F-P)甚至可能出现单模激光。这引起了科研工作者们极大重视,另外,基于半导体纳米三脚架结构的激光器研究还未有报道。本论文基于上述阐述,所做的具体工作如下:1、通过化学气相法和反应源替代法生长了系列合金Cd SSe 纳米三脚架结构。对合金纳米三脚结构进行微观结构表征和光致发光测试得到,其为高质量单晶结构且表面光滑、平整、无明显缺陷以及绿光到红光(F-P)的可调谐发射。2、将系列合金Cd SSe 纳米三脚架放置在自制搭建的共聚焦光泵浦系统下进行受激发射测试。得到了符合法-帕(F-P)腔激光发射模式的激光光谱,并且激光发射峰随着三脚架谐振腔尺寸的增加而出现了红移现象。接着对纳米三脚架模式间距、Q因子(～1231)等重要参数的计算,证明此结构具有高质量的谐振腔。另外,对均匀、非均匀的纳米三脚架的激光发射模式与品质因子也进行比较分析。3、使用自制光纤探针通过三维位移台进行微操作实现了Cd SSe纳米三脚架与CsPb Cl纳米线的光波导耦合,并对其波导原理进行分析。另外,对不同组分的合金Cd SSe 纳米三脚架激光器进行片上光子器件集成,光源发光范围为507 nm～602 nm。表明了目前我们已经实现红-绿光范围波长可调谐的纳米三脚架激光器集成光子芯片。

关键词：半导体纳米材料纳米三脚架带隙调制光波导耦合片上光子集成纳米光子学

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六角氮化硼片能带结构的应变调控

物理学报 2013年第1期62卷 404-409页

作者：谢剑锋曹觉先湘潭大学物理系湘潭411105

采用第一性原理研究了应变对单层、双层和三层BN片能带结构的影响.研究表明,随着张应变的增大,BN片的带隙线性变小,且变化的斜率与层数以及多层BN片的堆垛方式无关.

关键词：第一性原理六角氮化硼带隙调制应变

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光器件应用改性Ge的能带结构模型

物理学报 2018年第19期67卷 313-328页

作者：杨雯宋建军任远张鹤鸣西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件... 详细信息

Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好.综合以上原因,准/直接带隙改性Ge具备了单片同层光电集成的应用潜力.能带结构是准/直接带隙改性Ge材料实现单片同层光电集成的理论基础之一,目前该方面的工作仍存在不足.针对该问题,本文主要开展了以下三方面工作:1)揭示了不同改性条件下Ge材料带隙类型转化规律,完善了间接转直接带隙Ge实现方法的相关理论; 2)研究建立了准/直接带隙改性Ge的能带E-k模型,据此所获相关结论可为发光二极管、激光器件仿真模型提供关键参数; 3)提出了准/直接带隙改性Ge的带隙调制方案,为准/直接带隙改性Ge单片同层光电集成的实现提供了理论参考.本文的研究结果量化,可为准/直接带隙改性Ge材料物理的理解,以及Ge基光互连中发光器件有源层研究设计提供重要理论依据.

关键词：改性Ge 能带结构带隙调制光电集成

梯度组分缓冲层诱导的单一立方相Mg_(0.3)Zn_(0.7)O薄膜外延生长

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发光学报 2014年第9期35卷 1040-1045页

作者：郑剑张振中王立昆韩舜张吉英刘益春王双鹏姜明明李炳辉赵东旭刘雷刘可为单崇新申德振发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 东北师范大学先进光电功能材料研究中心吉林长春130024

为了实现MgZnO合金带隙全跨度调制,利用低压MOCVD设备,在c面蓝宝石衬底上采用MgO籽晶层和组分渐变缓冲层控制立方相MgxZn1-xO薄膜的生长,获得了Zn组分达到0.7的单一立方相MgxZn1-xO薄膜,把MgZnO合金带隙调制范围从MgO一侧扩展到了4.45 ... 详细信息

为了实现MgZnO合金带隙全跨度调制,利用低压MOCVD设备,在c面蓝宝石衬底上采用MgO籽晶层和组分渐变缓冲层控制立方相MgxZn1-xO薄膜的生长,获得了Zn组分达到0.7的单一立方相MgxZn1-xO薄膜,把MgZnO合金带隙调制范围从MgO一侧扩展到了4.45 eV,覆盖了整个日盲紫外波段。对比实验分析表明,这种高Zn组分立方相MgZnO薄膜的生长得益于缓冲层晶格模板的结构诱导作用和适宜的生长温度(350~400℃)。Mg0.3Zn0.7O基MSM结构紫外探测器响应峰位于270 nm,截止波长295 nm。

关键词：立方MgZnO 缓冲层带隙调制

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复式周期结构光子晶体研究进展

量子电子学报 2007年第6期24卷 657-662页

作者：谢凯韩喻国防科学技术大学材料工程与应用化学系湖南长沙410073

综述了近年来复合周期结构光子晶体的最新发展动向,从三种维度阐述了叠层复合和嵌套复合的结构设计思路,通过比较禁带调制性能,认为复合结构较单一结构具有更强的带隙调制作用,其中叠层复合是光子晶体禁带位置及宽度调制的重要手段之一... 详细信息

综述了近年来复合周期结构光子晶体的最新发展动向,从三种维度阐述了叠层复合和嵌套复合的结构设计思路,通过比较禁带调制性能,认为复合结构较单一结构具有更强的带隙调制作用,其中叠层复合是光子晶体禁带位置及宽度调制的重要手段之一,而嵌套复合主要针对带隙模式的调制。同时还介绍了各种复合结构的制备方法及可能的应用领域。

关键词：光电子学光子晶体复合周期带隙调制

磁控溅射法制备(Ga1-xInx)2O3薄膜及特性研究

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磁控溅射法制备(Ga1-xInx)2O3薄膜及特性研究

作者：杨莎西安理工大学

学位级别：硕士

氧化镓(Ga2O3)材料作为新型的更宽禁带半导体的代表,由于其优异的化学、物理和光电特性,在紫外探测、高频功率器件等领域有着重要的应用潜力。但由于Ga2O3具有较大的禁带宽度(4.9eV),在诸多应用领域受到限制。考虑到(Ga1-xInx)2O3的合... 详细信息

氧化镓(Ga2O3)材料作为新型的更宽禁带半导体的代表,由于其优异的化学、物理和光电特性,在紫外探测、高频功率器件等领域有着重要的应用潜力。但由于Ga2O3具有较大的禁带宽度(4.9eV),在诸多应用领域受到限制。考虑到(Ga1-xInx)2O3的合金材料可以通过调整其组分来调谐带隙宽度,能更好发挥能带工程在Ga2O3基高功率电子器件和紫外光电探测的推进作用,成为近年来半导体材料领域的研究热点之一。本文采用磁控溅射法制备了(Ga1-xInx)2O3薄膜,研究了不同In组分、氧氩比和退火工艺参数对薄膜性能的影响。主要工作和研究成果如下:1.采用双靶共溅射的方法制备了 In组分在0～0.81范围内的(Ga1-xInx)2O3薄膜,当In组分x为0.14～0.32时,(Ga1-xInx)2O3薄膜主衍射峰为β(002),当In组分x大于0.32以后,主衍射峰由β(002)转化为c(222)。随In组分的增加,In3+取代Ga3+的比重越高,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大,吸收边发生红移,光学带隙实现了 4.94～3.42eV范围内的调控;同时,当In组分由0.14增加至0.81,薄膜中氧空位的比例由17.6%增加至64.6%。2.系统研究了溅射工艺中氧氩比(O2:Ar)对(Ga1-xInx)2O3薄膜特性的影响,实验发现,随着O2:Ar由0:80增加至10:80,氧空位的数量在一定程度上减少使得薄膜质量得到改善。β(002)衍射峰相对强度逐渐增强,晶粒尺寸逐渐减小,薄膜表面粗糙度逐渐减小,透过率逐渐增加,截止波长发生蓝移,霍尔迁移率和载流子浓度逐渐增加,电阻率逐渐减小。但是当O2:Ar进一步增加至12:80时,腔室中的氩离子占比相对较小,降低了薄膜的沉积速率,从而导致薄膜缺陷增多、质量下降,薄膜各项性能测试结果变差。基于本文开展的实验,当O2:Ar为10:80时制备的(Ga1-xInx)2O3薄膜特性最佳。3.研究了退火工艺参数对(Ga1-xInx)2O3薄膜特性的影响,实验发现,随退火温度由600℃升高至1000℃,β(002)衍射峰相对强度先增强后减弱,半峰宽由3.31°逐渐减小至0.44°,晶粒尺寸由2.5nm逐渐增加至19.1nm,薄膜透过率逐渐增加,吸收边发生蓝移。当温度升高至1000℃,应力释放导致薄膜表面开裂、结晶质量下降,相应的各项性能测试结果也随之变差。基于本文开展的实验,当退火温度为900℃,薄膜结晶程度最好、粗糙度最小、霍尔效应测试结果表明各项电学性能最佳。

关键词：磁控溅射法 (Ga1-xInx)2O3薄膜带隙调制氧氩比退火温度

全无机金属卤化物钙钛矿纳米材料的可控制备及光电性质研究

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全无机金属卤化物钙钛矿纳米材料的可控制备及光电性质研究

作者：张岩焱信阳师范学院

学位级别：硕士

随着纳米技术的快速发展,低维半导体纳米材料（包括:量子点、纳米线、纳米带、纳米管和纳米晶等）在新型纳米光电器件领域扮演着愈来愈重要的角色。影响半导体材料发光效率、吸收系数、载流子扩散系数、载流子迁移率等光电性质的参数较... 详细信息

随着纳米技术的快速发展,低维半导体纳米材料（包括:量子点、纳米线、纳米带、纳米管和纳米晶等）在新型纳米光电器件领域扮演着愈来愈重要的角色。影响半导体材料发光效率、吸收系数、载流子扩散系数、载流子迁移率等光电性质的参数较多,其中半导体的禁带宽度决定了半导体材料的吸收和发射性能,进而影响半导体光电器件的应用。自然界中天然存在的半导体种类少之又少,一方面,由于传统半导体材料经济成本高、材料尺寸较大、应用于集成器件中难度高等诸多限制因素,在半导体纳米信息器件的大规模应用上仍然面临着很大挑战,另外,传统半导体材料的带隙局限性严重影响了多功能光电器件的发展与应用。国内外科研工作者为了打破带隙局限性,在不同半导体材料带隙调制方面做了许多出色的研究工作,在拓宽材料带隙范围的同时,也为未来基于带隙调制半导体在集成器件上的应用提供了可能。为了研究纳米尺度下带隙递变或突变的半导体在纳米光电器件中的性能,需深入开展纳米结构的带隙调制工作。全无机金属卤化物钙钛矿纳米材料由于其优异的光电性能（例如高光学吸收系数、长载流子扩散长度及寿命、高载流子迁移率等）、可见光波长范围内波长可调以及材料组成的丰富性等,近年来受到科研人员的广泛关注。本论文通过改进化学气相沉积法（CVD）实验装置,将不同带隙的全无机金属卤化物钙钛矿材料在单基片上集成以及制备带隙突变的异质结纳米线、纳米带。具体研究工作归纳如下:（1）成功制备了铯铅卤化物钙钛矿（Cs Pb X3,X=Cl,Br,I）纳米晶结构,通过加装步进电机克服了真空管式炉腔内固体反应源物质无法控制的难题,在高温生长条件下完成反应源物质的更替,实现单基片上Cs Pb Cl3（1-x）Br3x组分连续递变,沿衬底长度方向完成带隙调制,实现了可调谐WGM纳米激光器。（2）通过探索全无机金属卤化物钙钛矿纳米线的生长条件,在锡催化剂的作用下成功制备锡催化的铯铅卤化物钙钛矿（Cs Pb X3,X=Cl,Br,I）纳米线,然后通过改进后的化学气相沉积装置完成反应源物质的替换,完成Cs Pb Cl3-Cs Pb I3异质结纳米线的制备工作,研究了材料的光学性质。（3）在原有化学气相沉积法实验装置上加装步进电机来辅助反应源物质移动,通过多步骤反应合成制备Cd S-Cd Sx Se1-x-Cd S合金纳米带横向异质结。在405 nm激光的照射下,该纳米带中间为红色发光,两侧为绿色发光,呈现“绿-红-绿”的三明治结构,在纳米带宽度方向实现带隙调制,利用这些独特的结构实现了半导体纳米带光探测器。

关键词：铯铅卤化物钙钛矿纳米结构带隙调制异质结构光电性质

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掺杂对ZnO能带结构和光学性质的影响

掺杂对ZnO能带结构和光学性质的影响

作者：郑勇平福建师范大学

学位级别：硕士

氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料。被普遍认为是继GaN材料之后的另外一种优秀的光电材料,其制备的薄膜被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明电极、紫外探测器等领域。近年来,ZnO作为宽禁带半... 详细信息

氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料。被普遍认为是继GaN材料之后的另外一种优秀的光电材料,其制备的薄膜被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明电极、紫外探测器等领域。近年来,ZnO作为宽禁带半导体光电材料的研究越来越受到人们的重视。ZnO薄膜具有多项优点,如生长温度低,激子结合能高,受激辐射阀值低等,可以用于开发基于氧化锌的紫外光探测器、紫外发光二极管和紫外激光二极管等光电子器件。利用异质结制作的激光器、电致发光二极管、光电探测器等,比同质结制作的同类元件的性能优越。异质结器件中很重要的步骤是要能够利用掺杂完成对半导体带隙的调制,以此制备出基于氧化锌的量子阱、超晶格及相关的光电器件。本论文首先通过第一性原理计算研究氧化锌能带特性,通过Be原子掺杂研究其带隙的调制的关系及对光学特性的影响。接着采用溶胶凝胶法实验研究了过渡金属和稀土元素掺杂对氧化锌带隙调制的特性及光学特性的影响。为其器件化提供一些基础性研究。本论文分为六章,绪论部分介绍了ZnO材料的基本性质,包括电子结构和能带性质及研究现状,n型掺杂和p型掺杂特性及掺杂对带隙调制研究的现状。第二章介绍了第一性原理密度泛函理论基本知识及其求解的过程。第三章介绍了GW理论处理激发态的理论知识及方程的求解过程。第四章针对LDA近似中对带隙的低估采用GW近似讨论了GW对能带的修正。第五章计算了Be掺杂对ZnO掺杂带隙的调制关系,以及对其光学性质的影响,分析了Be掺杂引起带隙变化的原因。第六章利用溶胶凝胶法制备了Co掺杂ZnO薄膜,接着在Co掺杂ZnO薄膜基础上掺杂Sm稀土元素,讨论了两种掺杂薄膜光学性质及带隙的变化。

关键词： ZnO 第一性原理 GW能带修正带隙调制光学性质

二维材料CrS2电子结构和光学性质的第一性原理研究

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二维材料CrS2电子结构和光学性质的第一性原理研究

作者：王婷西安理工大学

学位级别：硕士

自2004年石墨烯首次从石墨中机械剥离出来,一个新的材料领域—二维材料引起了人们的广泛关注。近年来关于二维材料的合成、表征及应用的相关研究呈指数增加。二维多层材料是以层内强共价键及层间弱范德瓦尔斯力结合在一起。由于维度降... 详细信息

自2004年石墨烯首次从石墨中机械剥离出来,一个新的材料领域—二维材料引起了人们的广泛关注。近年来关于二维材料的合成、表征及应用的相关研究呈指数增加。二维多层材料是以层内强共价键及层间弱范德瓦尔斯力结合在一起。由于维度降低所带来的量子限制效应和弱屏蔽效应赋予二维半导体许多新奇物理效应,展示出不同于块体材料的独特物理性质。其中二维半导体材料在多个领域都具备重要的应用前景,其优异的电学性质既可以降低功耗,又可大幅度提升元件的集成度,在新型电子器件应用中具有天然优势。正因为如此,未来电子元件的核心材料将有可能由传统的硅材料转变为二维材料。二维材料中最有代表性的半导体材料是石墨烯,该材料具有非常优越的电子、光学性质以及高机械强度。但是本征石墨烯没有带隙,目前也无法通过有效手段获得较大的带隙,这大大限制了该材料在光电领域中的应用,因此越来越多的学者开始探索新型的二维材料。近年来以二维过渡金属硫化物材料最备受关注。理论和实验结果均表明过渡金属硫化物的电子能带结构与材料的结构体系有关,当材料由体相结构转变为二维结构时,其带隙特性由间接变为直接,光学性质和电学特性等也发生显著变化。二维过渡金属硫化物材料具有多种优于石墨烯的物理和化学性能,主要应用于电子元件领域,另外其在新能源电池、能量存储和传感器等方面的应用前景也非常广泛。最近一种新型的二维过渡金属硫化物材料—CrS通过化学气相沉积法成功合成,该材料具有优异的谷极化、压电性、光催化和相变本征磁性等性质。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算(First-principles calculations)方法对二维半导体材料CrS的稳定性、电子结构与输运性质、光学性质以及带隙调控进行了计算分析,结果如下:首先计算了二维单层CrS材料的形成能、弹性常数、声子谱以及从头算分子动力学,计算结果表明该材料满足四个稳定性条件,即该材料在常温下能够稳定存在;接下来又对该材料的电子结构进行了分析,主要研究了能带结构、态密度。计算结果表明二维单层CrS是直接带隙半导体材料,带隙值为1.32eV,其导带底和价带顶均位于高对称点K。此外,也对CrS材料的输运性质进行了研究,计算结果表明电子和空穴的有效质量呈各向异性,其最大(最小)有效质量分别为1.10m(0.88m)和1.05m(0.87 m),基于形变势理论计算得到的电子和空穴载流子迁移率分别为199cmVs和231cmVs;最后计算了该材料的吸收率、反射率、透射率,结果表明二维单层CrS材料在可见光波段红色光区域透射率达到峰值,吸收率则为谷值,与反射率一致;而在紫色光区域,吸收率达到峰值,反射率也达到最大值,透射率则相反。接下来又对二维单层CrS材料电子结构和光学性质的调制进行了研究。首先分析了应变对CrS材料能带结构的影响。在压应变到拉伸应变的过程中,单轴应变和双轴应变均会改变单层CrS的带隙宽度,且带隙值均呈逐渐减小的趋势。通过分别施加单(双)轴应变,该材料的带隙值可在2.57eV(3.00eV)到0.96eV(0.44eV)的范围内进行调控。此外,带隙特性也发生相应改变,在单轴应变状态下,当施加应变超过+6.4%时,单层CrS的带隙特性由直接变为间接。双轴应变状态下,施加应变超过+3.2%后,单层CrS变为间接带隙。施加应变也会使CrS材料的吸收率、反射率和透射率的波峰(谷)发生偏移,单轴应变下,该材料的峰(谷)值位于可见光波段的蓝光处,双轴应变下则位于绿光处。最后分析了厚度对CrS材料能带结构演化的影响。结果表明:当CrS厚度从一层增加到四层时,带隙值从1.32eV减小到0.74eV,导带底位于K点,价带顶则由K点移向Γ点,导致三层以上的CrS带隙特性由直接变为间接。随着层数的增加,CrS材料的在可见光区域的吸收率和反射率增大,透射率减小。以上计算结果表明,通过施加应变和改变层数手段可使CrS材料的带隙值和带隙特性以及光学性质发生变化,扩展了该材料在多个不同领域的应用潜力。

关键词：第一性原理 CrS2 电子结构光学性质带隙调制