《铟镓砷低维结构的外延调控及光子器件》

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铟镓砷(InGaAs)半导体近红外光子器件在高速光通信、激光雷达、光学检测等重要光电信息系统中发挥着不可替代的核心作用。该体系光子器件的工作频段、光电功能和效率等核心性能受衬底与外延晶格匹配条件的约束,不能全面满足上述信息技术的重大需求。开发更宽频段覆盖的高性能光子器件,特别是量子信息技术迅速发展所需的量子发光器件还存在挑战性难题。该项目从GaAs基InGaAs量子点和量子阱低维结构中载流子的量子束缚效应原理出发,研究了量子点尺寸形貌、量子阱掺N/Sb元素的外延调控机理、能带物理特性和量子发光效应及其发光谱段拓展和效率优化方法,实现了高性能的量子点单光子发射器件和量子阱长波长激光器件。该项目获得的科学发现主要包括以下三个方面:

1、揭示了自组织InGaAs量子点的亚单原子层循环外延调控机理,大幅度提升1.31微米长波长量子点的均匀性,提出静水压光谱测试方法揭示了大尺寸量子点的基态和激发态发光特征及精确能带参数,研制成功1.31微米波段的长波长量子点激光器实现低阈值驱动的室温连续激射。美国Technique Insight期刊专题评价该高均匀量子点材料生长方法为研制GaAs基长波长激光器提供可行性,英国物理学会III-Vs Review、Compound Semiconductor期刊专题评价该长波长量子点激光器是为中国团队在长波长激光器方面的重要成就。

2、发现了液滴法生长环状量子结构并揭示其外延调控机理,提出低速率结合束流梯度分布外延方法、实现自组织量子点面密度调控,制备成功电驱动量子点单光子发射器件。量子结构外延调控科学发现被国际同行学者在Science、Phys. Rev. Lett、Adv Mater ials等重要期刊论文中评价为实现量子结构可控制备的有效途径。

3、实验揭水InGaAs量子阱掺N元素扩散机理,建立能带带阶、电子有效质量与组分依赖关系模型,拟合得出导带带阶、能带带隙、电子有效质量重要物理参数,提出新结构InGaAs(Sb)/GaAS(N)量子阱拓展了发光波段;发明等离子N气源瞬态控制装置精确调控组份,采用Sb元素诱导外延生长的1.60微米GaAs基量子阱实现了长波长室温连续模式激光器,被国际同行评价为值得关注的重要成就,被英国Compound Semiconductors期刊专题评价为GaAs基量子阱激光器成功突破光通信波段,被美国Laser Focus World期刊专题评价为发展GaAs基量子阱长波长激光器的新选择。

上述科学发现受到学术界广泛认可,8篇代表性论文被SCI他引418次,在国际会议做数十次特邀报告。基于该项目量子点单光子器件,发现了单光子相干现象及单光子相干态精密测量方法,获得了单光子偏振态量子比特测量、单光子量子态多模式存储的重要成果;基于该项目InGaAs(NSb)量子阱结构及含Sb元素多元材料的外延方法,发展了大幅提升光电转换效率的光伏电池新结构和锑化物材料新体系先进红外光电器件制备技术等重大方向。

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