半导体量子态的布居特征和光电耦合微观机理

半导体中的迁移电子（载流子）是体现其所占据的量子态特征和实现光电量子功能的核心载体，本项目将发展一种针对布居在量子化能态上载流子的高空间分辨电（子）学测量方法，并用该方法揭示载流子在当前最小尺度的半导体红外光电功能单量子结构和耦合量子结构中的分布特征，以此实验信息分析量子占据态的空间延展性和束缚能特征。进一步还将结合光激发手段，考察量子单态及耦合态在非平衡条件下的载流子占据状况，在纳米尺度上直观研究小量子体系光电作用的微观量子机制，为红外光子的高效量子探测和辐射提供支持。

项目实现了对布居在半导体量子化能态（能级）上平衡状态和光激发非平衡状态的载流子进行观测两个层面的目标，其中在低维结构中平衡载流子测量方法的开发层面：1）项目在扫描探针显微（SPM）电学测量模式的基础上，实现了热辅助隧穿过程占主导的针尖-试样肖特基接触测量方案，该方法对窄禁带半导体低维结构中载流子的分辨能力达到2.2纳米，优于文献报道的最好水平。从而形成对厚度低至1个原子层GaAs量子阱中载流子的测量能力；对势垒宽度最小为0.9纳米的耦合量子阱中载流子的检测能力；同时该方法能够观测到束缚能为12.6 meV的量子阱中载流子。 2）对局域电导方法用于提取半导体量子态的载流子占据数、束缚能等信息的可行性进行了实验和数值评估，对量子阱载流子浓度的分析能力跨越简并和非简并掺杂区间（E16～E18cm-3），对单量子点中载流子的测量和第一性原理计算的占据数一致；从而在达成受限载流子纳米尺度分辨的基础上，进一步向载流子的数量及势能定量化研究推进。 . 在非平衡载流子的实验观测和光电微观机理研究方面，1）通过测量、分析近红外光激发下半导体单纳米线的光电行为，提取了分子束外延生长GaAs单纳米线的少数载流子寿命，澄清纳米线少子寿命受表面电子态影响而剧烈下降的微观机制。 2）系统考察了单纳米线光电特性与生长条件等因素的关联性，优化生长和包覆工艺后获得的GaAs单纳米线平均响应率大于20A/W. . 项目执行期间在ACS Nano，Nano Research,Appl.Phys.Lett.等刊物发表8篇学术论文。申请载流子浓度和少子寿命测量方法2项发明专利并获得授权。. 鉴于项目实现的局域载流子测量方法对于以量子阱、量子点为功能结构的半导体光电器件内在性能分析的潜在价值，已经尝试将实验方法应用于工作波段从短波到甚长波红外的低维光电器件结构载流子分布特性表征中，其中在量子级联（quantum cascade）发光和探测结构上的分析应用展示了载流子高分辨、高信噪比测量技术对耦合量子能态的独特研究能力。