半导体微结构物理效应及其应用讲座第三讲半导体的激子效应及其在光电子器件中的应用

人们对半导体中的电子空穴对在库仑互作用下形成的激子态及其有关的物理性质进行了深入研究.激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响,并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用.与半导体体材料相比,在量子化的低维电子结构中,激子的束缚能要大得多,激子效应增强,而且在较高温度或在电场作用下更稳定.这对制作利用激子效应的光电子器件非常有利.近年来量子阱、量子点等低维结构研究获得飞速的进展,已大大促进了激子效应在新型半导体光源和半导体非线性光电子器件领域的应用.     

硅BC8量子点太阳能电池中的多重激子效应

多重激子效应是指在纳米半导体晶体中,量子点吸收一个高能光子而产生多个电子-空穴对的过程,该效应可以提高单结太阳电池能量转换效率。利用碰撞电离机制和费米统计模型计算了工作温度300 K的单结硅BC8量子点太阳能电池在AM1.5G太阳光谱下的能量转换效率。对于波长在280~580 nm的入射光,多重激子效应可以大幅增强硅BC8量子点直径d>5.0 nm的量子点太阳电池的能量转换效率。硅纳米量子点的直径d=6.3~6.4 nm时,最大能量转换效率为51.6%。     

第三讲 半导体的激子效应及其在光电子器件中的应用

人们对半导体中的电子空穴对在库仑互作用下形成的激子态及其有关的物理性质进行了深入研究．激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用．与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定．这对制作利用激子效应的光电子器件非常有利．近年来量子阱、量子点等低维结构研究获得飞速的进展，已大大促进了激子效应在新型半导体光源和半导体非线性光电子器件领域的应用．     

半导体量子阱中激子波函数及其 Fourier系数的计算和应用

利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.     

Zno纳米晶的室温紫外受激发射特征

ZnO的激子特性对制备氧化锌基的光电子器件至关霞要,因此对ZnO量子点中激子的发光性质及其跃迁过程进行研究显得十分必要.采用溶胶-凝胶法制备了ZnO纳米晶,X射线衍射(XRD)结果表明样品具有六角纤锌矿多晶结构.研究了在不同泵浦功率激发下ZnO纳米晶的紫外发射的时间积分光谱和时间分辨光谱,观察到自南激子发光,激子-激子碰撞和电子-空穴等离子体引起的受激发射,研究了在不同泵浦功率激发下自由激子及激子-激子碰撞随泵浦功率依赖的动力学过程.研究结果对理解激子带边发射有一定帮助,对ZnO材料在短波长半导体光电器件方面有潜在的应用价值.     

纳米结构ZnO晶体薄膜室温紫外激光发射

文章综述了纳米结构的氧化锌半导体薄膜在室温下自由激子的自发辐射以及由自由激子引起的受激发射的特性，阐述了在不同激发密度下室温紫外受激发射的机理．纳米结构氧化锌半导体薄膜是用激光分子束外延(L-MBE)技术生长在蓝宝石衬底上的．薄膜由密集而规则排列的纳米尺度的六角柱组成．这些纳米六角柱起着限制激子运动的作用，激子的量子尺寸效应，使激子的跃迁振子强度大幅度增强．同时六角柱之间的晶面组成了一个天然的激光谐振腔．室温下用三倍频的YAG脉冲激光激发，可从这些纳米结构的氧化锌薄膜中观测到很强的紫外激光发射．研究发现，在中等激发密度下，紫外受激发射是由于激子与激子间碰撞而引起的辐射复合．在高密度激发条件下，由于激子趋于离化，紫外受激发射主要由电子-空穴等离子体的辐射复合引起．由于纳米结构中激子的跃迁振子增强效应，在室温下测量到的光学增益高达320cm^-1，这比在同样条件下测量到的块状氧化锌晶体的光学增益要高一个量级以上．与传统的电子-空穴等离子体激光辐射相比，激子引起的受激发射可在较低的激发密度条件下实现．这在实际应用上很有价值．     

一维半导体高聚物中的激子态和发光性质及局部晶格畸变所产生的影响——Lancos严格对角化方法

应用Lanczos严格对角化方法在具有电子-电子强关联效应的情况下,研究一维高聚物半导体中激子态的能量和波函数的物性,并以此为基础计算了在有局部晶格畸变时激子态的变化及其对发光性质的影响.并发现在一定的互作用参数下,其发光强度与畸变的强度成正比关系. 关键词：     

基于磁圆二向色谱的单层MoS_2激子能量和线宽温度依赖特性

以二硫化钼(MoS_2)为代表的过渡金属硫属化物属于二维层状材料,样品可以薄至单层.单层MoS_2是一种直接带隙半导体,在纳米逻辑器件、高速光电探测、纳米激光等领域具有广阔的应用前景.在实际应用中,温度是影响半导体材料能带结构和性质的主要因素之一.因此研究单层二维材料能带的温度依赖特性对理解其物理机理以及开展器件应用具有重要的意义.目前,在广泛采用的测量单层MoS_2反射谱的研究中,激子峰往往叠加在一个很强的光谱背底上,难以准确分辨激子的峰位和线宽.基于自行搭建的显微磁圆二向色谱系统,研究了单层MoS_2在65—300 K温度范围内的反射谱和磁圆二向色谱,结果表明磁圆二向色谱在研究单层材料激子能量和线宽方面具有明显的优势.通过分析变温的磁圆二向色谱,得到了不同温度下的A,B激子的跃迁能量和线宽.通过对激子能量和线宽的温度依赖关系进行拟合,进一步讨论了声子散射对激子线宽的影响.     

单量子点光谱与激子动力学研究进展

胶体半导体量子点具有宽带吸收、窄带发射、发光量子产率高、发射波长连续可调等优点,是制备发光二极管、太阳能电池、探测器、激光器等光电器件的优质材料.单量子点光谱能够消除系综平均效应,可以在单粒子水平上获取量子点材料的结构和动力学信息及与其他材料间的电荷、能量转移动力学等.相关研究结果能够指引量子点材料的设计和为量子点的相关应用提供机理基础.另外基于单量子点可以开展纳米尺度上光与物质的相互作用研究,制备单光子源和纠缠光子源等.本文综述了单量子点光谱与激子动力学近期的相关研究进展,主要包括单量子点的光致发光闪烁特性和调控方式、单激子和多激子动力学研究及双激子辐射特性的调控等.最后简要地讨论了单量子点光谱未来可能的发展趋势.     

计及激子-双激子相干下半导体单量子点中的空间光孤子对

考虑激子-双激子的相干效应, 解析地研究了半导体单量子点中探测光和信号光的吸收特性和非线性传播特性.结果发现, 在线性条件下, 单量子点中出现电磁感应透明现象; 进一步分析可得, 电磁感应透明所呈现的是单窗口或双窗口或光学增益均可通过调节控制光强加以控制.在非线性条件下, 弱信号光诱导弱探测光产生两个分量, 这两个分量在系统中所激发的自克尔和交叉克尔 非线性效应与系统的衍射效应相平衡从而形成稳定的亮-亮, 亮-暗, 暗-暗等空间光孤子对. 关键词： 半导体量子点 电磁感应透明 空间光孤子对     

Femtosecond semiconductor-based optoelectronic devices for optical-communication systems

Compact semiconductor-based ultrafast optoelectronic devices are crucial for networks with a throughput in the 1–10 Tb/s range. A variety of ultrafast phenomena in semiconductors are attractive for developing such new optoelectronic devices. This paper discusses the requirements of ultrafast optical-communication systems and necessary optoelectronic devices. Recent progress of ultrafast semiconductor-based optoelectronic devices are described with a focus on all-optical switching devices, including novel devices using electron spin polarization relaxation and intersubband transition both in multiple quantum well structures.     

CdSeS合金结构量子点的多激子俄歇复合过程

多激子效应通常是指吸收单个光子产生多个激子的过程,该效应不仅可以为研究基于量子点的太阳能电池开拓新思路,还可以为提高太阳能电池的光电转换效率提供新方法.但是,超快多激子产生和复合机制尚不明确.这里以CdSeS合金结构量子点为研究对象,研究了其多激子生成和复合动力学.稳态吸收光谱显示, 510, 468和430 nm附近的稳态吸收峰,分别对应1S_(3/2)(h)-1S(e)(或1S), 2S_(3/2)(h)-1S(e)(或2S)和1P_P(3/2)(h)-1P(e)(或1P)激子的吸收带.通过飞秒时间分辨瞬态吸收光谱和纳秒时间分辨荧光光谱两种时间分辨光谱技术对CdSeS合金结构量子点的超快动力学进行了探究,结果显示, 1S激子的双激子复合时间大概是80 ps,这一时间比传统量子点的双激子复合时间(小于50 ps)延长了近一倍,结合最近发展的超快界面电荷分离技术,在激子湮灭之前将其利用起来,这一时间的延长将有很大的应用前景;其中,在2S和1P激子中除上述双激子复合外,还存在一个通过声子耦合路径的空穴弛豫过程,时间大概是5—6 ps.最后,利用纳秒时间分辨荧光光谱得到该样品体系单激子复合的时间约为200 ns.     

双光子激发ZnSe自由载流子超快动力学研究

采用Z扫描和抽运-探测实验技术, 在波长为532 nm、脉冲宽度为41 fs的条件下测得ZnSe晶体的双光子吸收系数, 并获得了不同激发光强下的自由载流子吸收截面、电子-空穴带间复合时间和电子-声子耦合时间. 研究发现, 随着激发光强的增大, 自由载流子吸收截面减小, 复合时间变短. 当激发光强增大导致载流子浓度大于10¹⁸ cm^-3时, 抽运-探测信号出现明显改变, 原因归结为强光场激发导致样品在短时间内带隙变窄和电子-空穴等离子体的形成.     

Bound states in optical absorption of semiconductor quantum wells containing a two-dimensional electron Gas

The dependence of the optical absorption spectrum of a semiconductor quantum well on two-dimensional electron concentration n(e) is studied using CdTe samples. The trion peak (X-) seen at low n(e) evolves smoothly into the Fermi edge singularity at high n(e). The exciton peak (X) moves off to high energy, weakens, and disappears. The X,X- splitting is linear in n(e) and closely equal to the Fermi energy plus the trion binding energy. For Cd0.998Mn0.002Te quantum wells in a magnetic field, the X,X- splitting reflects unequal Fermi energies for M = +/-1/2 electrons. The data are explained by Hawrylak's theory of the many-body optical response including spin effects.     

A review on quantum well structures in photonic devices for enhanced speed and span of the transmission network

Quantum well devices feature heterostructures of very thin epitaxial layers of group III-V and II-VI semiconductor materials. Quantum well devices are integrated monolithically with various optoelectronics devices to provide photonic integrated circuits. The representative structure could be realized with GaAs wells with GaAlAs barriers for wavelengths around 0.9 μm and InGaAsP are used for longer wavelengths. Together with quantum well, superlattice structure is another popular design for InGaAs Avalanche Photo Diode (APD). Quantum well structures find their applications in improved lasers, superlattice for photodiodes, modulators and switches. Consequences of quantum well theory are available today in terms of quantum wires and quantum dots. Upon the application of the normal electric field to quantum well structures, exciton pairs becomes more and more confined and the sharp exciton absorption peaks are observed. The effect is termed as “Quantum Confined Stark Effect”. The electro-absorption effect is approximately 50 times larger in multiple quantum well structures than it is in bulk semiconductors. Another electro-absorption effect known as “Franz Keldysh Effect” has been employed in monolithic waveguide detector. These effects lead to electro-absorption lasers (EAL) as well as electro-absorption laser modulators (EML).     

Multiple exciton generation in semiconductor nanocrystals: Toward efficient solar energy conversion

Within the range of photon energies illuminating the Earth's surface, absorption of a photon by a conventional photovoltaic semiconductor device results in the production of a single electron‐hole pair; energy of a photon in excess of the semiconductor's bandgap is efficiently converted to heat through interactions between the electron and hole with the crystal lattice. Recently, colloidal semiconductor nanocrystals and nanocrystal films have been shown to exhibit efficient multiple electron‐hole pair generation from a single photon with energy greater than twice the effective band gap. This multiple carrier pair process, referred to as multiple exciton generation (MEG), represents one route to reducing the thermal loss in semiconductor solar cells and may lead to the development of low cost, high efficiency solar energy devices. We review the current experimental and theoretical understanding of MEG, and provide views to the near‐term future for both fundamental research and the development of working devices which exploit MEG.     

Fine structure of highly charged excitons in semiconductor quantum dots

An exciton in a symmetric semiconductor quantum dot has two possible states, one dark and one bright, split in energy by the electron-hole exchange interaction. We demonstrate that for a doubly charged exciton, there are also two states split by the electron-hole exchange, but both states are now bright. We also uncover a fine structure in the emission from the triply charged exciton. By measuring these splittings, and also those from the singly charged and doubly charged biexcitons, all on the same quantum dot, we show how the various electron-hole exchange energies can be measured without having to break the symmetry of the dot.