低维半导体

载流子（电子或空穴）运动维数低于三维的半导体

低维半导体，载流子（电子或空穴）运动维数低于三维的半导体。

解释

载流子运动状态，在空间的一个方向上受到限制，只能在另外两个方向上运动时，称作二维材料；在两个方向上受到限制时，称作一维材料；如果在空间的三个方向均受到限制，这时载流子的运动状态就如同几何学中的零维点一样，称作零维材料。

这里所谓载流子的运动在某一方向上受到限制（约束），是指材料在这个方向上的特征尺度，与载流子的德布罗意波长相当。这时，载流子沿该空间方向是不能自由运动的，它的能量只可以是某些分立（不连续）的量值，即载流子的电子态呈量子化分布。这种效应称为量子尺寸效应。

此外，低维材料还具有其他一些因载流子运动维数减少所引起的量子效应。例如，当载流子的能量低于限制它的势垒能量时，按照量子力学理论，该载流子仍具有一定的概率穿透这个势垒，称为量子隧穿效应。量子隧穿的概率，不仅与势垒的高度和宽度有关，而且与载流子的有效质量有关。

当低维材料（包括电极）的电容足够小时，如在零维的量子点的情况下，会出现另一种量子现象：这时，若有一个电子进入量子点晶体中，能使系统增加的静电能远大于电子的热运动能量。于是，该静电能足以阻挡第二个电子，使它不能再进入该量子点晶体中，这种现象称为库仑阻塞效应。其他效应如量子干涉效应、量子斯塔克效应、非线性光学效应和多体效应等，也都表现得更明显。这些效应从更深层面反映出低维半导体材料所固有的特性，并成为现代固体量子器件的物理基础。半导体低维材料在未来纳米电子学、光电子学和光电子集成等领域有着极广阔的应用前景，是21世纪高新技术产业的重要支柱之一。

通常可以利用分子束外延(MBE)或金属有机物化学气相淀积(MOCVD)技术，在原子尺度上交替生长出不同带隙宽度的半导体薄层材料，以得到二维材料。例如将一薄层GaAs生长在较宽禁带的GaAlAs层中间，当GaAs厚度薄到大约10纳米时，就会与其电子的德布罗意波长相当。

这时，电子能级在材料的生长方向上就会出现量子化，这种二维材料称为量子阱材料。电子运动状态从通常的三维降到二维后，会具有许多独特的物理性质。例如在高纯的GaAs晶体（三维）中，其室温下的电子迁移在8×103～9×103厘米2/（伏·秒），低温下的峰值迁移率也为数十万厘米2/（伏·秒），而在二维材料中，其低温电子迁移率可达1.4×107厘米2/（伏·秒），提高了2个数量级。利用电子二维运动的特性，可以制备出性能十分优越的GaAs(或lnP)高电子迁移率晶体管(HEMT)、SiGe/Si异质结双极晶体管(HBT)、高亮度光发射二极管、大功率量子阱激光器、量子级联红外激光器和红外探测器等。

对于一维量子线材料的生长，如Ⅲ–V族化合物GaAs，通常可采用微细加工方法，先在GaAs（100）晶面上腐蚀出V形刻槽，然后利用MBE或MOCVD技术在其上交替生长出GaAs/AlAs。由于V形刻槽的侧壁与底面的晶体取向不同，使材料的生长速率也会不同（即选择生长）。因此，生长出的GaAs/AlAs材料在V形刻槽的轴向长度可达到几百纳米，而其横断面尺寸在数十纳米，形成一维量子线材料。

此外，利用高指数GaAs衬底［如(311)面］，选择生长GaAs/AlAs薄层材料，也可以获得一维量子线材料。当生长的半导体晶体尺寸进一步小到数十纳米量级时，例如在GaAs基体中，利用应变自组装技术生长的InAs（或InGaAs）纳米晶体，这类材料就成为零维材料，或称为量子点材料。在量子点材料中，电子（或空穴）不再具有通常意义下的“运动”状态了。

它们之间的相互作用，完全遵从量子力学规律，其状态密度函数变成δ函数分布。这种材料有许多极其优异的性能，一个有代表性的应用实例就是用量子点材料做有源层的激光器——量子点激光器。

利用InGaAs/GaAs量子点材料制备的激光器，室温下连续波输出功率已达4.7瓦，准连续波输出功率达11.7瓦，在50℃热沉温度、1.0瓦和1.5瓦输出功率下，寿命超过3 000小时仍没有任何退化迹象，其灾变性光学镜面损伤功率密度达到19.5兆瓦/厘米2。这种量子点激光器，将在城域网和局域网的拉曼放大器和激光显示技术中有重要应用。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省