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1、纳米技术及其应用纳米技术及其应用第六章第六章 量子阱、量子线、量子点简介量子阱、量子线、量子点简介 第第6章章 量子阱、量子线、量子点简介量子阱、量子线、量子点简介 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子点的制备方法量子点的制备方法量子点的制备方法量子点的制备方法单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管6.1 6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念6.2 6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应
2、量子阱中的量子尺寸效应6.3 6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 6.4 6.4 量子点器件简介量子点器件简介量子点器件简介量子点器件简介第第6章章 6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念Back6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已超精细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已超精
3、细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已超精细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。结构。结构。结构。由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子散射长度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子散射长度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子散射长度相比拟，这类结构
4、中的电子只能处于量子化的态上。化的态上。化的态上。化的态上。6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念1.1.量子阱量子阱 量子阱量子阱量子阱量子阱半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气：电子一个方：电子一个方：电子一个方：电子一个方向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为或准自由
5、的运动。具有这种电子系统的结构称为量子阱。量子阱。量子阱。量子阱。具有量子尺寸具有量子尺寸具有量子尺寸具有量子尺寸效应的势阱称效应的势阱称效应的势阱称效应的势阱称为量子阱为量子阱为量子阱为量子阱6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱结构：量子阱结构：衬底衬底abABEgEgabEgEg采用分子束采用分子束采用分子束采用分子束外延技术可外延技术可外延技术可外延技术可以制备！以制备！以制备！以制备！量子阱的能级图量子阱的能级图量子阱的能级图量子阱的能级图6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念分子束外延技术的原理分子束外延技术的原理MBE G
6、aAs-AlMBE GaAs-Alx xGaGa1-1-x xAsAs原理图原理图原理图原理图加热器加热器加热器加热器BeBeAlAlAsAsGaGaSiSi喷射炉喷射炉喷射炉喷射炉挡板挡板挡板挡板分子束分子束分子束分子束衬底衬底衬底衬底外延生长区外延生长区外延生长区外延生长区6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念超晶格和多量子阱结构：超晶格和多量子阱结构：两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是
7、通常所到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所说的说的说的说的超晶格超晶格超晶格超晶格或或或或多量子阱多量子阱多量子阱多量子阱结构。结构。结构。结构。多量子阱多量子阱多量子阱多量子阱超晶格超晶格超晶格超晶格势势势势垒垒垒垒较较较较窄窄窄窄势势势势垒垒垒垒较较较较宽宽宽宽6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念常见的常见的2DEG2DEG结构：结构：调制掺杂技术制造的高迁移率晶体管示意图调制掺杂技术制造的高迁移率晶体管示意图6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点
8、的概念2.2.量子线量子线衬底衬底量子线量子线量子线量子线半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气：电子只能在：电子只能在：电子只能在：电子只能在一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系统的结构称为量子线。具有这种电子系统的结构称为量子线。具有这种电子系统的结构称为量子线。具有这种电子系统的结构称为量子线。6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子线的其它制备方法量子线的其它制备方法三种量
9、子线的制备方法（量子线的界面质量不相同）三种量子线的制备方法（量子线的界面质量不相同）三种量子线的制备方法（量子线的界面质量不相同）三种量子线的制备方法（量子线的界面质量不相同）6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念3.3.量子点量子点 量子点量子点量子点量子点半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气：电子在三个：电子在三个：电子在三个：电子在三个维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称为量子点。为量子
10、点。为量子点。为量子点。量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为10nm10nm1m1m，其中含有，其中含有，其中含有，其中含有1 110001000个可以被控制的电子。个可以被控制的电子。个可以被控制的电子。个可以被控制的电子。6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中大约
11、有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原子，量子点也称为人造相比的。因为类似于真实原子，量子点也称
12、为人造相比的。因为类似于真实原子，量子点也称为人造相比的。因为类似于真实原子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可以制造量子点。以制造量子点。以制造量子点。以制造量子点。量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性，称为充电能，这是给点中添加或取出一个电特性，称为充电能，这是给点中添加或取出一个电特性，称为
13、充电能，这是给点中添加或取出一个电特性，称为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。子所需要的能量。子所需要的能量。子所需要的能量。第第6章章 6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应Back6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子能量本征值为：能量本征值为：能量本征值为：能量本征值为：E E1 1E E2 2E E3 3一维无限方势阱图一维无限方势阱图一维无限方势阱图一
14、维无限方势阱图式中，式中，式中，式中，n n=1,2,3,=1,2,3,-式式式式（1 1 1 1）0 0L Lz zZ ZE Em m 为电子质量；为电子质量；为电子质量；为电子质量；L Lz z为势阱宽度；为势阱宽度；为势阱宽度；为势阱宽度；n n 为量子数；为量子数；为量子数；为量子数；一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数子数子数子数n n2 2成正比！成正比！成正比！成正比！6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中
15、的量子尺寸效应能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，L Lz z越小，能级间隔就越越小，能级间隔就越越小，能级间隔就越越小，能级间隔就越大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的量子效应。才能有显著的量子效应。才能有显著的量子效应。才能有显著的量子效应。由式由式由式由式（1 1 1 1）-式（式（式（式（2 2 2 2）相邻能级间
16、隔为：相邻能级间隔为：相邻能级间隔为：相邻能级间隔为：具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱第第6章章 6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 Back6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 1 1 1 1、量子点的类型、量子点的类型、量子点的类型、量子点的类型按按按按材材材材料料料料分分分分元素半导体量子点元素半导体量子点元素半导体量子点元素半导体量子点化合物半导体量子点化合物半导体量子点化合物半导体量子点化合物半导体量子点金属量子点金属量子点金属量子点金属量子点按按按按几几
17、几几何何何何形形形形状状状状分分分分箱形箱形箱形箱形盘形盘形盘形盘形球形球形球形球形四面体形四面体形四面体形四面体形外场诱导形外场诱导形外场诱导形外场诱导形6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 2 2 2 2、量子点的制备、量子点的制备、量子点的制备、量子点的制备在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电在用分子束外延生长的异质结片子的顶面上制作栅电极，加负压将电极下面的二维电子气耗尽，只有在栅极，加负压将电极下面的二维电子气耗尽，只有在栅极，加负压将电极下面的二维电子气耗尽，只有在
18、栅极，加负压将电极下面的二维电子气耗尽，只有在栅的间隙区留下电子，从而获得量子点。的间隙区留下电子，从而获得量子点。的间隙区留下电子，从而获得量子点。的间隙区留下电子，从而获得量子点。（1 1 1 1）在二维电子气系统上加调制电极）在二维电子气系统上加调制电极）在二维电子气系统上加调制电极）在二维电子气系统上加调制电极n n n n1 1 1 1n n n n2 2 2 2V Vp1p1V Vg1g1V Vp2p2V Vg2g2V Vp3p3V Vp1p1V Vp2p2V Vp3p3V Vg3g3V Vg3g3GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAs异质结片子异质结片子异质结片子异质结片子
19、Cr-CuCr-Cu电极电极电极电极V Vp1p1和和和和V Vp3p3用来控制量子用来控制量子用来控制量子用来控制量子点与源和漏之间的耦合；点与源和漏之间的耦合；点与源和漏之间的耦合；点与源和漏之间的耦合；V Vp2p2控制两个量子点之控制两个量子点之控制两个量子点之控制两个量子点之间的耦合；间的耦合；间的耦合；间的耦合；V Vg1g1、V Vg2g2 和和和和V Vg3g3分别来控制两个量分别来控制两个量分别来控制两个量分别来控制两个量子点的尺寸（决定电子子点的尺寸（决定电子子点的尺寸（决定电子子点的尺寸（决定电子数的多少）数的多少）数的多少）数的多少）6.3 量子点的类型及制备方法量子点
20、的类型及制备方法 该方法的优点是：该方法的优点是：该方法的优点是：该方法的优点是：可以方便的控制量子点的尺寸、可以方便的控制量子点的尺寸、可以方便的控制量子点的尺寸、可以方便的控制量子点的尺寸、制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面，因制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面，因制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面，因制造过程不引入附加的缺陷、没有裸露的表面，因而量子点的质量高。而量子点的质量高。而量子点的质量高。而量子点的质量高。缺点是：缺点是：缺点是：缺点是：只能为一种载流子，不能同时为电子和空只能为一种载流子，不能同时为电子和空只能为一种载流子，不能同时为电子和空只能为一种载流子，
21、不能同时为电子和空穴提供尺寸限制，所以只适用于制造低维电子器件。穴提供尺寸限制，所以只适用于制造低维电子器件。穴提供尺寸限制，所以只适用于制造低维电子器件。穴提供尺寸限制，所以只适用于制造低维电子器件。6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 外延生长：外延生长：外延生长：外延生长：1.1.1.1.同质外延同质外延同质外延同质外延2.2.2.2.异质外延异质外延异质外延异质外延（2 2 2 2）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长 晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配
22、度:薄膜的点阵常数薄膜的点阵常数薄膜的点阵常数薄膜的点阵常数衬底的点阵常数衬底的点阵常数衬底的点阵常数衬底的点阵常数6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 异质材料的外延生长模式有三种：异质材料的外延生长模式有三种：异质材料的外延生长模式有三种：异质材料的外延生长模式有三种：（2 2 2 2）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长）用分子束外延进行自组织生长（a a a a）一层接一层的二维生长模式；）一层接一层的二维生长模式；）一层接一层的二维生长模式；）一层接一层的二维生长模式；（a a a a）（b b b b）（c c c c）
23、（b b b b）岛状生长模式；）岛状生长模式；）岛状生长模式；）岛状生长模式；（c c c c）层状加岛状生长模式（层岛结合模式）；）层状加岛状生长模式（层岛结合模式）；）层状加岛状生长模式（层岛结合模式）；）层状加岛状生长模式（层岛结合模式）；（MBE S-KMBE S-KMBE S-KMBE S-K模式）模式）模式）模式）6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 例如：例如：例如：例如：InAs/GaAsInAs/GaAs量子点的量子点的量子点的量子点的MBEMBE自组织生长。自组织生长。自组织生长。自组织生长。InAsInAs和和和和GaAsGaAs这两种材料具有晶格失配度
24、，其晶格失配度这两种材料具有晶格失配度，其晶格失配度这两种材料具有晶格失配度，其晶格失配度这两种材料具有晶格失配度，其晶格失配度为为为为7.1%7.1%，晶格失配度高，生长为层岛结合模式。，晶格失配度高，生长为层岛结合模式。，晶格失配度高，生长为层岛结合模式。，晶格失配度高，生长为层岛结合模式。GaAsGaAsGaAsGaAsInAsInAs 其外延生长可以描述为：其外延生长可以描述为：其外延生长可以描述为：其外延生长可以描述为：1.1.二维平面生长（生长处的外延层称为浸润层）；二维平面生长（生长处的外延层称为浸润层）；二维平面生长（生长处的外延层称为浸润层）；二维平面生长（生长处的外延层称为
25、浸润层）；2.2.浸润层厚度积累；浸润层厚度积累；浸润层厚度积累；浸润层厚度积累；3.3.浸润层达到临界厚度（约几个原子层厚），在应力作用浸润层达到临界厚度（约几个原子层厚），在应力作用浸润层达到临界厚度（约几个原子层厚），在应力作用浸润层达到临界厚度（约几个原子层厚），在应力作用下变为三维岛状生长。下变为三维岛状生长。下变为三维岛状生长。下变为三维岛状生长。6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 自组织生长方法的特点：自组织生长方法的特点：自组织生长方法的特点：自组织生长方法的特点：二维生长模式向三维生长模式的临界转变厚度取决于晶格失二维生长模式向三维生长模式的临界转变厚度取决
26、于晶格失二维生长模式向三维生长模式的临界转变厚度取决于晶格失二维生长模式向三维生长模式的临界转变厚度取决于晶格失配度和生长条件，如衬底温度、生长速度等等。配度和生长条件，如衬底温度、生长速度等等。配度和生长条件，如衬底温度、生长速度等等。配度和生长条件，如衬底温度、生长速度等等。优点：优点：优点：优点：可以将量子点的横向尺寸缩小到几十个纳米以内，做到无损可以将量子点的横向尺寸缩小到几十个纳米以内，做到无损可以将量子点的横向尺寸缩小到几十个纳米以内，做到无损可以将量子点的横向尺寸缩小到几十个纳米以内，做到无损伤。伤。伤。伤。缺点：缺点：缺点：缺点：小岛的成核点是在应变层生长过程中应力不均匀的地方
27、产小岛的成核点是在应变层生长过程中应力不均匀的地方产小岛的成核点是在应变层生长过程中应力不均匀的地方产小岛的成核点是在应变层生长过程中应力不均匀的地方产生的，同时岛的长大也是随机的，小岛的均匀性不好。因此，生的，同时岛的长大也是随机的，小岛的均匀性不好。因此，生的，同时岛的长大也是随机的，小岛的均匀性不好。因此，生的，同时岛的长大也是随机的，小岛的均匀性不好。因此，量子点的几何形状、尺寸分布和密度较难控制。量子点的几何形状、尺寸分布和密度较难控制。量子点的几何形状、尺寸分布和密度较难控制。量子点的几何形状、尺寸分布和密度较难控制。6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 这种方法的
28、特点：量子点尺寸可以小到这种方法的特点：量子点尺寸可以小到这种方法的特点：量子点尺寸可以小到这种方法的特点：量子点尺寸可以小到2 2 2 210nm10nm10nm10nm，平，平，平，平均量子点尺寸分布大约在均量子点尺寸分布大约在均量子点尺寸分布大约在均量子点尺寸分布大约在5 5 5 510101010范围内，胶体量范围内，胶体量范围内，胶体量范围内，胶体量子点易于密集成量子点阵列，以形成晶态或非晶态子点易于密集成量子点阵列，以形成晶态或非晶态子点易于密集成量子点阵列，以形成晶态或非晶态子点易于密集成量子点阵列，以形成晶态或非晶态的固体。的固体。的固体。的固体。（3 3 3 3）用胶体化学方
29、法制备）用胶体化学方法制备）用胶体化学方法制备）用胶体化学方法制备6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 例如利用例如利用例如利用例如利用STMSTM制备量子点制备量子点制备量子点制备量子点（4 4 4 4）其他方法）其他方法）其他方法）其他方法第第6章章 6.4 量子点器件简介量子点器件简介 Back6.4 量子点器件简介量子点器件简介 这里只介绍几种简单的单电子器件：这里只介绍几种简单的单电子器件：这里只介绍几种简单的单电子器件：这里只介绍几种简单的单电子器件：1.1.量子点激光器量子点激光器量子点激光器量子点激光器2.2.量子点旋转门量子点旋转门量子点旋转门量子点旋转门3.
30、3.单电子盒单电子盒单电子盒单电子盒4.4.单电子泵单电子泵单电子泵单电子泵5.5.单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管注意：隧道结和量子点是单电子器件的基本单元！注意：隧道结和量子点是单电子器件的基本单元！注意：隧道结和量子点是单电子器件的基本单元！注意：隧道结和量子点是单电子器件的基本单元！6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量子点激光器量子点激光器量子点激光器量子点激光器 Laser:Laser:light amplification by stimulated emission of radiationlight amplification by stimulated e
31、mission of radiation“泵激泵激泵激泵激”需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以引起并维持受激发射。引起并维持受激发射。引起并维持受激发射。引起并维持受激发射。量子点激光器的制作源于：量子点激光器的制作源于：量子点激光器的制作源于：量子点激光器的制作源于：利用量子点结构具有很强的量子利用量子点结构具有很强的量子利用量子点结构具有很强的量子利用量子点结构具有很强的量子限制作用，当激光器已经缩小到甚至比它发射出来的光的波
32、限制作用，当激光器已经缩小到甚至比它发射出来的光的波限制作用，当激光器已经缩小到甚至比它发射出来的光的波限制作用，当激光器已经缩小到甚至比它发射出来的光的波长还要小的尺度，在这一尺度上，量子行为开始占优势，可长还要小的尺度，在这一尺度上，量子行为开始占优势，可长还要小的尺度，在这一尺度上，量子行为开始占优势，可长还要小的尺度，在这一尺度上，量子行为开始占优势，可以制作高效率的激光器。以制作高效率的激光器。以制作高效率的激光器。以制作高效率的激光器。如果激光器的效率高到连一个光子也不浪费，就好像一根火如果激光器的效率高到连一个光子也不浪费，就好像一根火如果激光器的效率高到连一个光子也不浪费，就好
33、像一根火如果激光器的效率高到连一个光子也不浪费，就好像一根火柴的热量就可以烧开一壶水那将是多么让人激动啊！柴的热量就可以烧开一壶水那将是多么让人激动啊！柴的热量就可以烧开一壶水那将是多么让人激动啊！柴的热量就可以烧开一壶水那将是多么让人激动啊！6.4 量子点器件简介量子点器件简介 最早的激光器最早的激光器最早的激光器最早的激光器 最早的激光器是将某种激光材料夹在两块反射镜之间，对最早的激光器是将某种激光材料夹在两块反射镜之间，对最早的激光器是将某种激光材料夹在两块反射镜之间，对最早的激光器是将某种激光材料夹在两块反射镜之间，对该激光材料予以该激光材料予以该激光材料予以该激光材料予以“泵激泵激泵
34、激泵激”使激光材料中的电子受到激发而使激光材料中的电子受到激发而使激光材料中的电子受到激发而使激光材料中的电子受到激发而从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反射的光子使其他的激发射的光子使其他的激发射的光子使其他的激发射的光子使其他的激发
35、“电子电子电子电子”即处于较高能态的电即处于较高能态的电即处于较高能态的电即处于较高能态的电子子子子发射出相同的光子，很像炸响的鞭炮又引燃其它的发射出相同的光子，很像炸响的鞭炮又引燃其它的发射出相同的光子，很像炸响的鞭炮又引燃其它的发射出相同的光子，很像炸响的鞭炮又引燃其它的鞭炮一样。鞭炮一样。鞭炮一样。鞭炮一样。受激发射！受激发射！受激发射！受激发射！随着光子数目不断增加，它们随着光子数目不断增加，它们随着光子数目不断增加，它们随着光子数目不断增加，它们就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增大，直到从就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增大，直到从就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增
36、大，直到从就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增大，直到从两块反射镜之一射出一个集中的聚焦光束。两块反射镜之一射出一个集中的聚焦光束。两块反射镜之一射出一个集中的聚焦光束。两块反射镜之一射出一个集中的聚焦光束。6.4 量子点器件简介量子点器件简介 注意：传统的激光器产生的激光单色性虽然好，但不是所注意：传统的激光器产生的激光单色性虽然好，但不是所注意：传统的激光器产生的激光单色性虽然好，但不是所注意：传统的激光器产生的激光单色性虽然好，但不是所有的光子都被用于激光发射的任务中去了！有些光子碰到有的光子都被用于激光发射的任务中去了！有些光子碰到有的光子都被用于激光发射的任务中去了！有些光子碰到
37、有的光子都被用于激光发射的任务中去了！有些光子碰到激光器壁变成热量散发出去了。激光器壁变成热量散发出去了。激光器壁变成热量散发出去了。激光器壁变成热量散发出去了。波动一根吉它弦波动一根吉它弦波动一根吉它弦波动一根吉它弦基频、泛音基频、泛音基频、泛音基频、泛音缩短吉它弦缩短吉它弦缩短吉它弦缩短吉它弦基频、泛音减少基频、泛音减少基频、泛音减少基频、泛音减少音调音调音调音调音调音调音调音调升高升高升高升高缩短吉它弦缩短吉它弦缩短吉它弦缩短吉它弦基频基频基频基频音调升高音调升高音调升高音调升高至极限值至极限值至极限值至极限值vv 如何才能利用所有的光子，怎么办到不浪费能量呢？如何才能利用所有的光子，怎
38、么办到不浪费能量呢？如何才能利用所有的光子，怎么办到不浪费能量呢？如何才能利用所有的光子，怎么办到不浪费能量呢？看一个吉它弦的例子：看一个吉它弦的例子：看一个吉它弦的例子：看一个吉它弦的例子：6.4 量子点器件简介量子点器件简介 相类似，相类似，相类似，相类似，通过缩小激光器的尺寸可以限制光子状态的数通过缩小激光器的尺寸可以限制光子状态的数通过缩小激光器的尺寸可以限制光子状态的数通过缩小激光器的尺寸可以限制光子状态的数目。目。目。目。这一微型化过程的最终极限是激光器发射的光的波长的这一微型化过程的最终极限是激光器发射的光的波长的这一微型化过程的最终极限是激光器发射的光的波长的这一微型化过程的最
39、终极限是激光器发射的光的波长的一半（这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小一半（这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小一半（这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小一半（这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小尺度）。此时，光子只有一种可能的状态，光子别无选择，尺度）。此时，光子只有一种可能的状态，光子别无选择，尺度）。此时，光子只有一种可能的状态，光子别无选择，尺度）。此时，光子只有一种可能的状态，光子别无选择，每个光子都只能加入到公共的波中。每个光子都只能加入到公共的波中。每个光子都只能加入到公共的波中。每个光子都只能加入到公共的波中。换言之，此时任何一个光子都
40、不会被浪费掉，即此时的换言之，此时任何一个光子都不会被浪费掉，即此时的换言之，此时任何一个光子都不会被浪费掉，即此时的换言之，此时任何一个光子都不会被浪费掉，即此时的激光器是无能量阈的！激光器是无能量阈的！激光器是无能量阈的！激光器是无能量阈的！因此，因此，因此，因此，这样的量子点激光器的效率非常高这样的量子点激光器的效率非常高这样的量子点激光器的效率非常高这样的量子点激光器的效率非常高！6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量子点激光器在未来的量子点激光器在未来的量子点激光器在未来的量子点激光器在未来的光学计算机光学计算机光学计算机光学计算机中具有多种多样的用途。中具有多种多样的用途。中具有
41、多种多样的用途。中具有多种多样的用途。光学计算机光学计算机光学计算机光学计算机用光代替电来传送、处理并存储信息，计算机的用光代替电来传送、处理并存储信息，计算机的用光代替电来传送、处理并存储信息，计算机的用光代替电来传送、处理并存储信息，计算机的速度将被呈指数的提高了速度将被呈指数的提高了速度将被呈指数的提高了速度将被呈指数的提高了!如果极少的能量就可以发射激光的话，量子点激光器就可以如果极少的能量就可以发射激光的话，量子点激光器就可以如果极少的能量就可以发射激光的话，量子点激光器就可以如果极少的能量就可以发射激光的话，量子点激光器就可以实现瞬时开关。实现瞬时开关。实现瞬时开关。实现瞬时开关。
42、（如果只用一根火柴就可以烧开一壶水的话，（如果只用一根火柴就可以烧开一壶水的话，（如果只用一根火柴就可以烧开一壶水的话，（如果只用一根火柴就可以烧开一壶水的话，那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短！）那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短！）那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短！）那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短！）已经有一些已经有一些已经有一些已经有一些激光器能够以快于每秒钟激光器能够以快于每秒钟激光器能够以快于每秒钟激光器能够以快于每秒钟200200亿次的速度开关。亿次的速度开关。亿次的速度开关。亿次的速度开关。因此，量子点激光器作为传送、存储并处理信息的元件因此，量子点激光器作
43、为传送、存储并处理信息的元件因此，量子点激光器作为传送、存储并处理信息的元件因此，量子点激光器作为传送、存储并处理信息的元件（光（光（光（光学计算机中不可缺少的基本结构单元）学计算机中不可缺少的基本结构单元）学计算机中不可缺少的基本结构单元）学计算机中不可缺少的基本结构单元）具有巨大的发展潜力具有巨大的发展潜力具有巨大的发展潜力具有巨大的发展潜力。BUT 应该提及的是，由于制造工艺困难，研制水平还未达到应该提及的是，由于制造工艺困难，研制水平还未达到理论预言！理论预言！6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量子点旋转门量子点旋转门在异质结界面二维电子气上用两个量子点接触形成隧道结，在异质结界面
44、二维电子气上用两个量子点接触形成隧道结，在异质结界面二维电子气上用两个量子点接触形成隧道结，在异质结界面二维电子气上用两个量子点接触形成隧道结，它们之间分裂栅围成的空腔就是量子点岛区（见下图）。它们之间分裂栅围成的空腔就是量子点岛区（见下图）。它们之间分裂栅围成的空腔就是量子点岛区（见下图）。它们之间分裂栅围成的空腔就是量子点岛区（见下图）。半导体量子点接触形成的单电子器件半导体量子点接触形成的单电子器件（量子点旋转门平面图）（量子点旋转门平面图）量子点量子点量子点量子点岛区岛区岛区岛区点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触分裂栅分裂栅分裂栅分裂栅当分裂栅上所加负电压足够高当分裂栅上
45、所加负电压足够高当分裂栅上所加负电压足够高当分裂栅上所加负电压足够高时，点接触的导电通道被切断，时，点接触的导电通道被切断，时，点接触的导电通道被切断，时，点接触的导电通道被切断，电子只能通过隧道效应进出量电子只能通过隧道效应进出量电子只能通过隧道效应进出量电子只能通过隧道效应进出量子点。这两个点接触实际上构子点。这两个点接触实际上构子点。这两个点接触实际上构子点。这两个点接触实际上构成控制电子进、出分裂栅量子成控制电子进、出分裂栅量子成控制电子进、出分裂栅量子成控制电子进、出分裂栅量子点的双势垒。量子点的栅压点的双势垒。量子点的栅压点的双势垒。量子点的栅压点的双势垒。量子点的栅压V Vg g
46、则是加在异质结的衬底上，改则是加在异质结的衬底上，改则是加在异质结的衬底上，改则是加在异质结的衬底上，改变变变变V Vg g可以改变岛区二维电子气可以改变岛区二维电子气可以改变岛区二维电子气可以改变岛区二维电子气的电荷密度，控制岛中电荷。的电荷密度，控制岛中电荷。的电荷密度，控制岛中电荷。的电荷密度，控制岛中电荷。6.4 量子点器件简介量子点器件简介 半导体量子点接触形成的单电子器件半导体量子点接触形成的单电子器件（量子点旋转门平面图）（量子点旋转门平面图）量子点量子点量子点量子点岛区岛区岛区岛区点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触分裂栅分裂栅分裂栅分裂栅设设想想在在控控制制电电子
47、子进进、出出量量子子点点的的两两个个点点接接触触上上分分别别加加相相位位相相差差180o的的两两个个交交流流调调制制信信号号，使使这这两两个个势势垒垒的的高高度度交交替替地地上上抬抬或或下下降降。同同时时，对对量量子子点点栅栅压压也也经经过过特特殊殊设设计计，使使得得测测量量量量子子点点的的IV特特性性曲曲线线时时出出现现按按ef量量子子化化（f是是交交流流调调制制信信号号的的频频率率）。那那么么，这这个个器器件件就就使使得得电电子子按按照照调调制制信信号号节节奏奏有有规规律律地地进进出出量量子子点点，就就像像人人进进入入大大厅厅时时经经过过一一座座旋旋转转门门，按按门的固定节奏循序进入一样。
48、门的固定节奏循序进入一样。6.4 量子点器件简介量子点器件简介 单电子盒单电子盒单电子盒单电子盒单电子盒是一种最简单的单电子器件，其单电子盒是一种最简单的单电子器件，其单电子盒是一种最简单的单电子器件，其单电子盒是一种最简单的单电子器件，其“岛岛岛岛”上有整数上有整数上有整数上有整数n n个过剩电子电荷，电子只能经过隧穿通过结才能进入或个过剩电子电荷，电子只能经过隧穿通过结才能进入或个过剩电子电荷，电子只能经过隧穿通过结才能进入或个过剩电子电荷，电子只能经过隧穿通过结才能进入或离开。利用门电压可以在单电子水平上控制岛上电荷。离开。利用门电压可以在单电子水平上控制岛上电荷。离开。利用门电压可以在
49、单电子水平上控制岛上电荷。离开。利用门电压可以在单电子水平上控制岛上电荷。U UU U0 0V V电子盒电子盒SET静电计静电计ISET三极管静电计测量电子盒的结电荷三极管静电计测量电子盒的结电荷123b4m65ICgCcC/2C/2C/2C/26.4 量子点器件简介量子点器件简介 单电子泵单电子泵单电子泵单电子泵如下图所示：如下图所示：如下图所示：如下图所示：单电子泵单电子泵单电子泵单电子泵II U U2 2U U1 1-V V/2/2V V/2/2Cg 1Cg 2C 1C2C3单电子泵是以外加周期源作时钟信号来产生电流的，它需要单电子泵是以外加周期源作时钟信号来产生电流的，它需要单电子泵是
50、以外加周期源作时钟信号来产生电流的，它需要单电子泵是以外加周期源作时钟信号来产生电流的，它需要两个门电压加两个门电压加两个门电压加两个门电压加rf rf 时钟信号。它是具有两个门的最简单的器件，时钟信号。它是具有两个门的最简单的器件，时钟信号。它是具有两个门的最简单的器件，时钟信号。它是具有两个门的最简单的器件，可被视为通过结连接的两个单电子盒。它由三个结和两个门可被视为通过结连接的两个单电子盒。它由三个结和两个门可被视为通过结连接的两个单电子盒。它由三个结和两个门可被视为通过结连接的两个单电子盒。它由三个结和两个门组成，门电容组成，门电容组成，门电容组成，门电容C Cg1g1,C Cg2g2