1、 http:/ - 1 - 中国 科技论文在线 耦合量子点结构光存储模型及其特性研究 范梁 ， 郭方敏 *作者简介： 范梁（ 1981-），男，上海人，硕士，主要从事光探测器的计算机建模研究 通信联系人： 郭方敏（ 1957-），女，教授，博士生导师，主要从事探测器读出电路的研究 . E-mail: （华东师范大学信息学院，上海 200241） 5 摘要 ： 运用 Crosslight 公司的 APSYS 软件包对新型耦合量子点 结构的光存储单元作了建模仿真。首先建立了器件的非对称量子点量子阱结构，接着模拟光存储单元的能带图、 I-V图以及 PL光谱图。 根据计算结果首次探讨了这类光存储器的
2、皮秒级瞬态时间响应，从而验证其光存储原理，并分析了光存储与读出中其它影响因素。 关键词 ： 光存储 ； 量子点 ； 量子阱 ； APSYS 10 中图分类号 ： TN215 Physical modeling of a photon storage cell with coupling quantum dots and its characteristics Fanliang1, Guo Fang-min2 15 (1. Information School, EastChina Normal University ,Shanghai 200241; 2. Information School
3、, EastChina Normal University, Shanghai 200241) Abstract: This paper discusses the physical modeling of a photon storage cell with coupling quantum dots in a well and its internal device physics as well by using Crosslight Apsys software tools. It gives good agreement with measurements after careful
4、 calibration. Photon storage process 20 is also studied based on transient time response of the device Key words: photon storage; quantum-dots; quantum-well; APSYS 0 引言 在半导体微结构中研究光子的存储和恢复是目前研究的热点。 【 1-4】 对这类器件，通常入25 射光子首先转化为空间分离的电子空穴对存储，然后经过一定时间后，存储在同一地点的电子空穴重新组合后辐射发光得以恢复。这样，光存储单元就 如同一个光动态随机存储器一样工作在
5、所有的光子计算机里，同时它可以作为光处理系统的存储或延时单元。而量子点结构因其对载流子具有强三维限制作用与俘获能力，在红外探测与光存储等方面表现出广阔的应用前景。 30 针对非对称复杂量子阱量子点的光存储单元，我们采用基于高级物理模型的 APSYS 进行有效模拟。而本文的器件结构建立则参考了文献 【 5】 。 1 耦合 量子点 结构 光存储单元的建模 首先 ,我们使用 APSYS 软件包建立了量子阱量子点光存储单元的器件结构，如图所示。35 器件结构类似于常规 n+-i-n+双层势垒结构，在底部 1000nm厚 的 n+GaAs缓冲层上，生长 30nm厚的非掺杂 GaAs 隔离层，接着就是 A
6、lAs 势垒、 GaAs 隔层和有源区。有源区主要包括一层6nm的 InGaAs窄量子阱和 1.8ML的自组装 InAs量子点层，尽可能的分离，然后中间插入 45nm的 GaAs 宽量子阱，如同一块三明治一样，夹在两块厚的不透明的 AlAs 势垒之间，达到隔离接触 区的目的 。有源区上面再生长同为 30nm 的 GaAs 隔离层和 GaAs 的 n+掺杂覆盖层。 所40 有的 n+层掺杂浓度是 1 1018cm-3。电极设为欧姆接触，下电极置于器件底部，同时在顶部的2 个上电极之间制作一个 50um 宽的窗口，作为入射光通道。仿真温度设定为室温。 http:/ - 2 - 中国 科技论文在线
7、图 1. 耦合量子点光存储单元的器件结构 Fig.1 Structure of the storage cell with coupling quantum dots 45 其次，在器件结构的基础上，程序结合边界条件自洽求解了泊松方程，导出平衡态条件下外延方向的器件能带图，如图所示。图中从左到右主要显示了 AlAs 势垒之间的 InGaAs窄量子阱、 GaAs 宽量子阱和 InAs 量子点层，组成了复杂非对称量子阱量子点有源区。 图 . 器件外延方向的能带图 50 Fig.2 Band diagram profile along epitaxial direction 在对光存储单元器件建模时
8、，需要单独制作 InAs 量子点的模型，输出量子点能级以及波函数重叠的特征方程解，供光存储单元仿真时调用。其结构如图 1 中插图显示， InAs 量子点（黄色）包裹在量子点湿层（褐色）里，而湿层又处于 GaAs 量子阱 与 GaAs 隔层（红色）之间。图 3 显示了这种光存储单元的 InAs 量子点及其包围湿层的能带与相对波强度，表现55 出量子点对载流子极强的捕获与限制作用，同时，与量子阱湿层相比具有较强的发光强度，因而是光存储单元在光读出区域的理想结构。 图 3 量子点的能带分布及相对波强度 Fig.3 Band diagram profile of QD and its wave int
9、ensity 60 2 结果和讨论 2.1 光电流及光电流响应谱的仿真与分析 在仿真光电流响应的数据时，在 50 m*50 m 的光学窗口上正入射 650nm 光，光强http:/ - 3 - 中国 科技论文在线 3.2mW，又因为在量子点器件中，暗电流最主要的产生机制是量子点中的受限电子的热发射65 【 6】 ，在室温下仿真暗电流会比较大，所以将入射光功率调整到 2e6W/m2。光存储单元 I-V 曲线如图 4 所示。 正负偏压下光电流响应的不对称性归因于器件结构上的不对称。与文献 【 7】中记载的一致，光电流响应出现了台阶状。这是因为光生电子和空穴在空间上分离，从而形成了内建电场，部分屏蔽
10、了外电场，因此使光电流出现台阶 形状 阶跃响应。台阶的偏压位置有偏移，可能是因为室温仿真和低温实验上差异造成的。 70 -3 .5 -3 .0 -2 .5 -2 .0 -1 .5 -1 .0 -0 .5 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5-0 .0 10 .0 00 .0 10 .0 20 .0 30 .0 40 .0 50 .0 60 .0 70 .0 80 .0 90 .1 00 .1 1Current(A/m)Bi a s(V)65 0nm55 0nm75 0nm85 0nmda r k图 4 室温下器件暗电流与光电流的 I-V 特性 Fig.
11、 4 Photocurrent & dark current versus bias voltage 在图 5 的光电流响应谱中显 示峰值电流响应的波长大约在 650nm 处。 通常，自组织生长的量子点在组分、尺寸、应力等方面都表现出不均匀性，因此量子点器件的75 光谱响应范围会存在一定的展宽。 图 5 器件底部电极的光电流响应谱 Fig.5 Photocurrent responsivity spectra of the photo storage cell 80 2.2 光存储单元的存储过程仿真与分析 参考图 2，耦合量子点光存储模型的工作过程可以描述为： 光 脉冲首先在有源区内产生了大量
12、电子空穴对。 光生电子空穴对受反向偏压分离。在 GaAs 宽量子阱或者 InAs 量子点中产生的电子会漂移或者遂穿向低能区域，最终被 InGaAs 窄量子阱捕获。空穴则反方向漂移最后被 InAs 量子点85 捕获。 反偏压下由于电子空穴的空间分离，以及量子点附加的平面内局域化，多余的电子和空穴能够分别储存在窄量子阱和量子点内达 ms 级的时间长度。 施加正向脉冲偏压后，由于窄量子阱中的电子相比量子点中的空穴受到的束缚较小，使存储在窄量子阱中的电子转移到量子点中与空穴重新结合发光 ，读出存储的信号。 90 为了模拟光存储的工作过程，我们采用状态法加以描述： 一初始状态。反向偏压 -2V，没有入射
13、光。 二施加 皮 秒级光脉冲的时间响应过程。 http:/ - 4 - 中国 科技论文在线 三施加正偏压 1V 的时间响应过程。 模拟的有源区空穴浓度图显示，在状态二的光激励起始和结束点上，有源区的空穴浓度95 发生了明显较大的变化，特别是在 InAs 量子点区域，因而证明了分离的空穴存储在 InAs量子点区域。有源区中电子浓度应发生等量的变化，但是对于电子为多子的 n+掺杂器件，光生电子对器件电子浓度的影响不如光生空穴明显。 图 5 状态二中空穴浓度图 变化 100 Fig.5 Change of hole concentration at State Two 在文献 【 5】 和 文献 【
14、 7】 中，对这类光存储单元的时间响应已经做了实验研究，但是受到放大器等测试装置自身的时间响应局限（大约 1us），因而测量精度在 ms 级别，我们通过数值模拟将时间响应精度达到 ps 级别，如图 7 显示，插图是所加的 20ps 高斯分布光脉冲激励。在 ps 级的光脉冲激励下，时间响应的上升沿表明了光生电子和空穴在外电场作用下沿相反105 方向漂移和最终陷落所需时间，这个过程很快，约 11.5ps；而时间响应的下 降沿部分明显可分为快衰变部分和慢衰变部分，其中快衰变部分可以归因于光激励在迅速减弱至消失过程中，引起整个光存储单元结构空间电荷的瞬态调整，大约 13.5ps，这个快衰变对整个存储时
15、间的影响较小。而慢衰变过程显示出存储的电子和空穴的衰变特性， 其 时间常数 也就是光生载流子寿命，在延长扫描时间后大约有 110ps。 110 图 7 器件对光脉冲的瞬态响应 Fig.7 Transient response of the device at light pulse 对于状态三，在施加了正向偏压后，存储的电子空穴在量子点中重新结合 ，释放短暂而强烈的光致发光。很据文献 【 5】 记录，光读出的量子点 PL 光谱在 1.17eV 附近，用 1.24 除以115 这个值，换算成波长在 1.06 m 附近 ,这与计算的量子点 PL 光谱一致，如图 8 所示。 峰值能量 1.17eV
16、左右 的室温强光致发光，来源于 InAs 量子点的导带第一激发态 (E1)和重空穴子带（ HH1）之间的跃迁 【 8】 ，也就是光存储信号的读出位置 。 http:/ - 5 - 中国 科技论文在线 图 8 室温下量子点的 PL 光谱 120 Fig.8 PL spectrum of the QDs in room temperature 3 结论 本文成功模拟了量子阱量子点光存储单元 的物理特性和工作过程。结合先进的计算机数值分析工具，分别描述器件的材料结构与存储原理，获得了光电流响应谱、量子点 PL 光谱等有意义的参考数据，验证了其工作原理，为设计优化光存储类器件提供了有效的方法。 125
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