一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構。它包括第一量子阱層、第二量子阱層、第三量子阱層和第四量子阱層，第一量子阱層和第四量子阱層材料均為AlSb，第二量子阱層材料為InAs，第三量子阱層材料為GaSb，第一量子阱層和第四量子阱層厚度分別為5?40 nm，第二量子阱層厚度為5?40 nm，第三量子阱層厚度為5?20 nm，還包括外加門電壓。相對于用改變量子阱的厚度來調制微帶隙，本發明用門電壓調制微帶隙更加方便可靠，并且可以精確確定費米能級的位置和微帶隙的大小，從而進一步確定費米能級的調制范圍。本發明可在基于InAs/GaSb的半導體量子阱系統拓撲絕緣體性質的研究和器件方面獲得廣泛應用。
【專利說明】
一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構
技術領域
[0001]本發明涉及光電器件設計領域，具體是涉及一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構。【背景技術】
[0002]拓撲絕緣體材料由于其無能耗，有望在器件方面取得重要應用，從而引起了人們的廣泛關注，人們在石墨稀、HgTe/CdTe量子講以及基于InAs/GaSb的半導體量子講中相繼觀察到了拓撲絕緣相。由于HgTe/CdTe量子阱是一種真正的二維材料，因此是研究拓撲絕緣體性質的理想選擇，然而由于制備工藝的限制，要實現器件應用非常困難。更重要的是，在 HgTe/CdTe量子阱中只能通過改變量子阱中各層的厚度來調節其費米面，從而觀察拓撲絕緣相，所以使得其應用收到極大的限制。相對于HgTe/CdTe量子講材料，基于InAs/GaSb的半導體量子阱材料在量子阱材料的制備工藝以及與Si基半導體材料的匹配方面顯示了巨大的優勢。更重要的是，在基于InAs/GaSb的半導體量子阱中，其費米面不僅可以通過量子阱各層的厚度來調節，還可以通過外加門電壓來方便調節，這就為實驗研究和器件應用提供了便利。然而，外加電場不僅可以將費米面調節到微帶隙中，還對量子阱的能級和波函數也會產生重要的影響，從而影響其微帶隙的位置和大小。因此研究外電場對費米能和微帶隙的影響，設計合理的量子阱結構在器件應用和實驗研究方面至關重要。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在于提供一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構。
[0004]為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為:一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構，其特征在于，包括第一量子阱層、第二量子阱層、第三量子阱層和第四量子阱層，第一量子阱層和第四量子阱層材料均為AlSb，第二量子阱層材料為InAs，第三量子阱層材料為GaSb，第一量子阱層和第四量子阱層厚度分別為5-40 nm，第二量子阱層厚度為5-40 nm，第三量子阱層厚度為5-20 nm，電子被限制在第二量子阱層，空穴被限制在第三量子阱層，電子和空穴在空間上是分離的，還包括用于調控電子和空穴的子帶能級以及波函數的分離和耦合的外加門電壓。
[0005]優選的，所述外加門電壓的調制范圍為-100 kv/cm-100 kV/cm。[〇〇〇6]優選的，所述電子和空穴雜化能譜的交點處產生一個微帶隙，微帶隙能量為2-8 meV，微帶隙的大小和位置通過外加門電壓調節。
[0007]本發明的有益效果表現在:相對于用改變量子阱的厚度來調制微帶隙，本發明用門電壓調制微帶隙更加方便可靠，并且可以精確確定費米能級的位置和微帶隙的大小，從而進一步確定費米能級的調制范圍。本發明可在基于InAs/GaSb的半導體量子阱系統拓撲絕緣體性質的研究和器件方面獲得廣泛應用。【附圖說明】
[0008]圖1是微帶隙能量與電場之間的對應關系圖。
[0009]圖2是實施例1的量子阱結構。
[0010]圖3是實施例2中電子和空穴的基態波函數。
[0011]圖4是實施例2中電子和空穴的雜化能譜。【具體實施方式】
[0012]為進一步描述本發明，下面結合實施例對其作進一步說明。
[0013]圖1為微帶隙能量與電場之間的對應關系圖。
[0014]實施例1取InAs層和GaSb層的厚度分別為12.5 nm和10 nm，第一層和第四層中AlSb層的厚度均為5 nm，外電場為0 kV/cm，電子的基態能級為45.18 meV，空穴的基態能級為132.04 meV， 費米能級為123.07 meV，微帶隙為3.73 meV。[0〇15]該量子阱結構請參閱圖2。
[0016]實施例2取InAs層和GaSb層的厚度分別為12.5 nm和10 nm，第一層和第四層中AlSb層的厚度均為5 11111，外電場為50 1^/〇11，電子的基態能級為75.03 1116￥，空穴的基態能級為112.18 1116￥， 費米能級為108.34 meV，微帶隙為2.82 meV。
[0017]該量子阱結構中電子和空穴的基態波函數及雜化能譜請分別參閱圖3和圖4。[〇〇18] 實施例3取InAs層和GaSb層的厚度分別為12.5 nm和10 nm，第一層和第四層中AlSb層的厚度均為5 nm，外電場為-50 kV/cm，電子的基態能級為12.74 meV，空穴的基態能級為158.94 1116￥，費米能級為143.84 1116￥，微帶隙為4.54 1116￥。[〇〇19]以上內容僅僅是對本發明的構思所作的舉例和說明，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離發明的構思或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構，其特征在于，包括第一量子阱層、第二 量子阱層、第三量子阱層和第四量子阱層，第一量子阱層和第四量子阱層材料均為AlSb，第 二量子阱層材料為InAs，第三量子阱層材料為GaSb，第一量子阱層和第四量子阱層厚度分 別為5-40 nm，第二量子阱層厚度為5-40 nm，第三量子阱層厚度為5-20 nm，電子被限制在 第二量子阱層，空穴被限制在第三量子阱層，電子和空穴在空間上是分離的，還包括用于調 控電子和空穴的子帶能級以及波函數的分離和耦合的外加門電壓。2.根據權利要求1所述的可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構，其特征在于，所述外 加門電壓的調制范圍為_1〇〇 kV/cm-100 kV/cm〇3.根據權利要求1所述的可電壓調制微帶隙的半導體量子阱結構，其特征在于，所述電 子和空穴雜化能譜的交點處產生一個微帶隙，微帶隙能量為2-8 meV，微帶隙的大小和位置 通過外加門電壓調節。
【文檔編號】H01L31/0304GK106025022SQ201610356892
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】魏相飛, 張忠義
【申請人】皖西學院