半导体异质结构中的量子实空间转移-理论与实验

本项目拟开展一新的半导体量子效应"量子实空间转移"的研究。量子实空间转移的概念由本项目的合作者于上世纪90年代后期提出。它与此前的经典实空间转移有着根本的区别，是一新的半导体量子效应，但从未得到实验证实。本项目将进一步完善量子实空间转移的理论模型，阐明早期理论中的关键因素，精心设计用于实现量子实空间转移的半导体台阶量子阱结构。我们将采用先进的分子束外延技术开展台阶量子阱结构的生长研究，用现代半导体工艺技术进行器件样品的制备研究，并设计测试实验，进行相关的物理参数测试以验证量子实空间转移的构想。在实验的后期，我们也将开展量子实空间转移在光电子和射频电子器件等方面的应用探索。量子实空间转移的实验证实和深入研究将有助于人们在新的平台上认识和发现新的量子过程和现象，发展新的半导体功能器件。

本项目的研究目标是验证一新型半导体量子现象：量子实空间转移效应。量子实空间效应是本项目的国际合作者美国Oklahoma大学Rui.Q Yang教授于上世纪九十年代后期提出的，但从未在实验上获得证实。本项目于2012年1月启动，在为期四年的研究周期中，本项目开展了量子实空间台阶量子阱结构的设计、GaAsSb/AlInAs台阶量子阱结构的外延生长以及相关测试系统的搭建等工作。并成功地在国际上首次实验验证了量子实空间转移效应，达成了项目目标。. 首先，在我们进一步优化了Yang教授提出的理论模型，考虑电子散射等因素，设计出用于验证QRST效应的GaAsSb/AlInAs台阶量子阱结构。为了便于测试，实验结构采用8个周期的GaAsSb/AlInAs台阶量子阱。采用分子束外延进行了材料生长研究，生长出一批优质的台阶量子阱结构材料。. 其次，我们开展欧姆接触工艺优化及电极制备与特性研究。此项工作借助GaAs/AlGaAs耦合双量子阱结构中的负阻效应开展。我们计算了并采用分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs耦合双量子结构，优化了欧姆接触工艺。在该结构上观测到了明显负阻效应，产生负阻效应的阈值电压与间距成正比，计算得到阈值电场为1.5 kV/cm。. 在此基础上，我们进一步开展了GaAsSb/AlInAs台阶量子阱结构的欧姆接触工艺和电极制备研究，发展了侧边金属沉积工艺，实现了金属电极与与超晶格层优良的欧姆接触。利用脉冲测试观察到材料存在明显负阻效应，其阈值电压与间距成正比，计算得到阈值电场2 kV/cm。利用霍尔测试等手段测试得到了GaAsSb中载流子寿命0.29ps。利用测试得到的物理参数对电压-电流曲线进行了理论模拟，与实验结果符合的很好。QRST效应的验证，为发展新型量子功能器件打开了大门。. 最后我们对GaAsSb/InGaAs超晶格结构在短波红外探测器方面的应用进行了研究。利用K.P模型计算设计并生长了GaAsSb/InGaAs短波红外探测器结构，并从高精度X-射线，电流-电压特性、变温光致荧光光谱、黑体响应、响应光谱等方面对该器件性能进行了研究。探测器的响应截止波长为2.5微米，量子效率为64%。