硅基新型可控Ge量子点/SiGe薄膜微腔耦合结构的系统研究
批准号:
12074077
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
钟振扬
依托单位:
学科分类:
凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
钟振扬
中文摘要
硅基光电一体化集成是解决半导体微电子集成芯片越来越严重的功耗大、散热难和信号传输受限等问题的最有效的途径。但是,其发展面临一个目前难以克服的瓶颈:小尺寸和电泵浦的高性能硅基光源,其内在核心科学问题是间接带隙的硅基材料很低的量子转换效率。本项目将系统研究硅衬底上的新型可控Ge量子点/SiGe薄膜微腔结构;着重研究同时满足波长匹配和位置匹配的量子点/微腔结构中的光与物质相互作用及其产生的新奇物性;充分利用量子点中激子受到的量子限制效应、微腔对光子的调控作用以及激子和光子间的耦合效应,探索从电子特性和光子特性两方面的综合调控实现Ge量子点高效发光的新思路。本项目的研究将进一步认识腔量子电动力学的基本特性及其对微腔中的量子点光电性质的调控作用,制备具有优异光电特性的可控Ge量子点/SiGe薄膜微腔结构,探索制备小尺寸、电泵浦、低阈值的硅基激光器,为其在硅基光电一体化集成的高性能光源的应用打下基础。
英文摘要
The monolithic optical-electronic integrated circuits (MOEICs) on silicon have been expected to be the most efficient solution to the problems of high power consumption, poor heat dissipation and limited signal transmission in semiconductor microelectronic integrated chips. However, its development is confronted with a bottleneck: small size and electrically pumped Si-based light sources of high performance,which can hardly be realized at present. The intrinsic key scientific issue is the rather poor quantum efficiency of Si-based materials due to the indirect bandgap. In this project, innovative controlled Ge quantum-dots(QDs)/ SiGe thin-film microcavity coupling structures, which is compatible with the Si integration technology, will be systematically studied. Particularly, unique light-matter interactions and its related novel properties in the QDs/microcavity coupling structure with both wavelength matching and spatial matching between QD emissions and cavity modes will be primarily studied. The quantum confinement effect of excitons in QDs, the manipulation of photons by the microcavity, and the coupling between excitons and photons are fully utilized to explore a novel way towards the realization of overall high quantum efficiency of Ge QDs in aspects of comprehensive modulations on the electronic and the photonic properties.The results of this project will shed new light on the fundamental physics of cavity quantum electrodynamics and its manipulation on the optoelectronic properties of QDs in microcavities. The innovative controlled Ge QDs/SiGe microcavity with superior optoelectronic properties will be fabricated, which will be utilized to explore small size, electrically pumped and low threshold Si-based laser. They will have great potentials in the desired Si-based light source implemented in the MOEICs.
硅基光电一体化集成是大数据传输与处理、人工智能、超高速计算,以及将来的量子计算和通讯的迫切需求,其面临的最大挑战是高性能硅基光源,这主要是由于间接带隙的硅基材料很低的量子转换效率。由于量子点的量子限制效应、微盘对电磁环境的调控以及和硅工艺的兼容性,硅基Ge量子点/SiGe微盘体系在高性能硅基光源应用方面可能有很大的应用前景。本项目主要研究了硅衬底上的新型可控Ge量子点/SiGe微盘体系。系统研究了微柱、微孔等图形化硅衬底上Ge/Si材料的外延生长,进一步认识了图形化衬底上由于表面起伏引起的不均匀应变和表面能对表面吸附原子迁移和锗硅合金材料中组分的影响。通过优化生长条件,首次实现了微盘中量子点位置的精确可靠生长。发现了微盘中量子点发光与微盘腔模的强耦合不但要满足频率匹配,而且需要空间位置匹配;基于实验结果的FDTD模拟表明量子点在微盘的不同径向位置时其发光增强因子可以相差5个数量级以上;而且发光增强因子也与量子点的数目和量子点在微盘的不同方位角位置有关,其内在根源在于微盘中不同量子点发光的干涉效应。另外,发光增强因子也与量子点中的激子的极化方向有关。系统研究了微盘阵列中微盘间距、微盘排列的对称性及微盘中的微纳结构对微盘中的回音壁腔模的影响,发现了调控微盘阵列中回音壁腔模增强发射的基本途径。研究了基于Ge微米柱阵列的红外探测器的性能,利用微米柱阵列中光的限制效应和其中的导波谐振特性可以有效增强Ge微米柱阵列对红外光的吸收效率,而且可以有效分离光生电子-空穴对抑制其复合发光,从而大大增强对应红外探测器的响应率和探测灵敏度。相关研究结果为可控量子点/微盘体系的制备指明了方向; 对进一步认识量子点与微盘及微盘阵列中的耦合效应有很大的促进作用;也为深入理解量子点-微盘体系中的腔量子电动力学的相关效应及其对微腔中的量子点光电性质的调控作用打下基础; 为设计和制备基于量子点-微盘耦合结构的适用于光电一体化集成的红外探测器、光源等新型高性能光电器件提供了新思路。
硅衬底上基于量子点的人工石墨烯特性探索
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:56万元
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批准年份:2022
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负责人:钟振扬
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依托单位:
硅基可控金属/GeSi混合纳米结构的物性和应用研究
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批准号:11774062
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项目类别:面上项目
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资助金额:66.0万元
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批准年份:2017
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负责人:钟振扬
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依托单位:
可控自组织锗硅量子点物理特性的系统研究
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批准号:11474055
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项目类别:面上项目
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资助金额:94.0万元
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批准年份:2014
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负责人:钟振扬
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依托单位:
有序Ge量子点和量子线的生长和物理特性探索
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批准号:10974031
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项目类别:面上项目
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资助金额:36.0万元
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批准年份:2009
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负责人:钟振扬
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依托单位:
图形化硅衬底上的锗硅量子点的可控生长和特性研究
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批准号:10704018
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2007
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负责人:钟振扬
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依托单位:
国内基金
海外基金