半导体中光激发强度相关的非线性区域响应的研究

论文摘要

本文着重对半导体结构在飞秒激光激发下的一些激发强度相关的非线性区域响应进行了实验研究。根据半导体能带结构的特点,针对间接带隙和直接带隙光学性质的不同,对Si基金半肖特基结用电学测量手段研究了飞秒激光激发后的物理特性变化,而对（In/Ga）As量子点则采用光学测量方法进行研究。在第一章的绪论中,首先概述了飞秒激光和半导体光吸收的基本概念,其次阐述了光激发半导体中的表面光电压的研究历史,以及量子点体系中飞秒激光激发下的热效应等。第二章描述了主要的实验方法。简要地介绍了飞秒激光的发展以及原理,其次介绍了实验所用的Ti:Sapphire飞秒激光器系统的工作原理、主要参数以及性能指标等,然后介绍了与激发光强度相关的表面光电压测试和光致荧光的探测装置以及原理图。最后介绍了锁相放大器在飞秒激光脉冲实验中的原理,指出了和一般直流稳态信号探测中的不同之处。第三章为电学方式测量飞秒激光激发半导体中的激发强度相关的表面光电压的实验结果。研究对象是Si肖特基结的表面光电压随激发强度的变化关系。通过研究发现,随着光强的增强,内建电场所导致的表面光电压趋于饱和,而此时丹倍电势所产生的表面光电压开始显现。由于飞秒激光激发的超高瞬值载流子浓度,使得丹倍电势的效果能明显地表现出来。对于p型与n型的半导体,它们的丹倍电势的符号相同,而内建电场两者符号相反。由于丹倍电势作用效果和内建电场作用效果相反,p型半导体不同于n型半导体,可以明显表现出丹倍电势的作用效果,所以侧重分析研究了p型肖特基结中随激发强度变化的表面光电压。另外,利用自相关测试光路及表面光电压技术,在弱光下激发下,提出了测量脉冲激光脉宽等参数的新技术;以及电学方式测量半导体中的双光子吸收系数的新技术。这些新技术,比起以往的传统技术,有诸多优点,比如操作简单,精度更好,适用性更佳,对样品的要求更少,等等。第四章为用光学手段测量飞秒激光激发的半导体中的激发强度相关的光致荧光的实验结果。由于直接带隙的缘故,利用光致荧光的方式研究了自组织（In/Ga）As量子点体系的样品。讨论了对量子点性能表现有很大影响的浸润层的作用效果。并且和连续激光下的类似实验进行了对比。通过分析得知:由于超高瞬值载流子浓度的原因,增强了量子点体系中的载流子-载流子作用以及载流子-声子作用。因而出现了明显的局部热效应以及载流子在量子点和浸润层之间的填充和发射效果。通过分析荧光,可以看出共生浸润层是各孤立量子点的连接通道。通过这个通道,各分离量子点可以连成一个整体,使得各量子点中的载流子可以轻易地相互转移。随着载流子浓度的增加,可以看到各分立量子点的分立能级过渡到了各量子点相互统一的准连续态,逐渐消除了量子点的尺寸分布效应。第五章为全文总结,对整个论文做一个全面总结。在总结已有实验结果的基础上,提出还可以进一步开展的研究工作。

论文目录

• 目录
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半导体中的光吸收响应
• 1.3 表面光电压
• 1.4 局域热效应
• 1.5 本论文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 简介
• 2.2 飞秒激光器系统
• 2.3 飞秒激光脉冲宽度的测量
• 2.4 实验方法和装置
• 2.4-1 系统的硬件设备和软件的组成
• 2.4-2 表面光电压实验方法和装置
• 2.4-3 光致荧光实验方法和装置
• 2.5 锁相放大器测试原理
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 Si肖特基结中激发强度相关的表面光电压研究
• 3.1 引言
• 3.2 Si肖特基结中的表面光电压
• 3.2-1 理论原理
• 3.2-2 测量结果
• 3.3 弱光激发下的Si肖特基结中的表面光电压的技术应用
• 3.3-1 测量飞秒激光的特性
• 3.3-2 测量半导体的双光子吸收系数
• 3.4 Si肖特基结中的表面光电压的激发强度相关性研究
• 3.4-1 简介
• 3.4-2 实验方法和实验结果
• 3.4-3 肖特基结中内建电势和丹倍效应的讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章（In/Ga）As量子点中激发强度相关的光致荧光的研究
• 4.1 简介
• 4.2 自组织生长量子点结构中的浸润层
• 4.3 样品介绍和实验方法
• 4.4 实验结果和讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 全文总结
• 附录
• 在读期间已发表的文章
• 致谢