低維半導體

載流子運動狀態，在空間的一個方向上受到限制，只能在另外兩個方向上運動時，稱作二維材料；在兩個方向上受到限制時，稱作一維材料；如果在空間的三個方向均受到限制，這時載流子的運動狀態就如同幾何學中的零維點一樣，稱作零維材料。

這裏所謂載流子的運動在某一方向上受到限制（約束），是指材料在這個方向上的特徵尺度，與載流子的德布羅意波長相當。這時，載流子沿該空間方向是不能自由運動的，它的能量只可以是某些分立（不連續）的量值，即載流子的電子態呈量子化分佈。這種效應稱為量子尺寸效應。

此外，低維材料還具有其他一些因載流子運動維數減少所引起的量子效應。例如，當載流子的能量低於限制它的勢壘能量時，按照量子力學理論，該載流子仍具有一定的概率穿透這個勢壘，稱為量子隧穿效應。量子隧穿的概率，不僅與勢壘的高度和寬度有關，而且與載流子的有效質量有關。

當低維材料（包括電極）的電容足夠小時，如在零維的量子點的情況下，會出現另一種量子現象：這時，若有一個電子進入量子點晶體中，能使系統增加的靜電能遠大於電子的熱運動能量。於是，該靜電能足以阻擋第二個電子，使它不能再進入該量子點晶體中，這種現象稱為庫侖阻塞效應。其他效應如量子干涉效應、量子斯塔克效應、非線性光學效應和多體效應等，也都表現得更明顯。這些效應從更深層面反映出低維半導體材料所固有的特性，併成為現代固體量子器件的物理基礎。半導體低維材料在未來納米電子學、光電子學和光電子集成等領域有着極廣闊的應用前景，是21世紀高新技術產業的重要支柱之一。

通常可以利用分子束外延(MBE)或金屬有機物化學氣相澱積(MOCVD)技術，在原子尺度上交替生長出不同帶隙寬度的半導體薄層材料，以得到二維材料。例如將一薄層GaAs生長在較寬禁帶的GaAlAs層中間，當GaAs厚度薄到大約10納米時，就會與其電子的德布羅意波長相當。

這時，電子能級在材料的生長方向上就會出現量子化，這種二維材料稱為量子阱材料。電子運動狀態從通常的三維降到二維後，會具有許多獨特的物理性質。例如在高純的GaAs晶體（三維）中，其室温下的電子遷移在8×103～9×103釐米2/（伏·秒），低温下的峯值遷移率也為數十萬釐米2/（伏·秒），而在二維材料中，其低温電子遷移率可達1.4×107釐米2/（伏·秒），提高了2個數量級。利用電子二維運動的特性，可以製備出性能十分優越的GaAs(或lnP)高電子遷移率晶體管(HEMT)、SiGe/Si異質結雙極晶體管(HBT)、高亮度光發射二極管、大功率量子阱激光器、量子級聯紅外激光器和紅外探測器等。

對於一維量子線材料的生長，如Ⅲ–V族化合物GaAs，通常可採用微細加工方法，先在GaAs（100）晶面上腐蝕出V形刻槽，然後利用MBE或MOCVD技術在其上交替生長出GaAs/AlAs。由於V形刻槽的側壁與底面的晶體取向不同，使材料的生長速率也會不同（即選擇生長）。因此，生長出的GaAs/AlAs材料在V形刻槽的軸向長度可達到幾百納米，而其橫斷面尺寸在數十納米，形成一維量子線材料。

此外，利用高指數GaAs襯底［如(311)面］，選擇生長GaAs/AlAs薄層材料，也可以獲得一維量子線材料。當生長的半導體晶體尺寸進一步小到數十納米量級時，例如在GaAs基體中，利用應變自組裝技術生長的InAs（或InGaAs）納米晶體，這類材料就成為零維材料，或稱為量子點材料。在量子點材料中，電子（或空穴）不再具有通常意義下的“運動”狀態了。

它們之間的相互作用，完全遵從量子力學規律，其狀態密度函數變成δ函數分佈。這種材料有許多極其優異的性能，一個有代表性的應用實例就是用量子點材料做有源層的激光器——量子點激光器。

利用InGaAs/GaAs量子點材料製備的激光器，室温下連續波輸出功率已達4.7瓦，準連續波輸出功率達11.7瓦，在50℃熱沉温度、1.0瓦和1.5瓦輸出功率下，壽命超過3 000小時仍沒有任何退化跡象，其災變性光學鏡面損傷功率密度達到19.5兆瓦/釐米2。這種量子點激光器，將在城域網和局域網的拉曼放大器和激光顯示技術中有重要應用。 ^[1]