SEED智能像素器件的物理基礎

隨著(zhù)分子束外延(MBE)和金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)技術(shù)的成熟與發(fā)展，可以在半導體襯底上均勻生 長(cháng)原子量級的超薄層田，通過(guò)兩種半導體材料的交替生長(cháng)，形成一系列周期性的勢壘和勢阱，這就是所謂的超晶 格量子阱結構卩引。在量子阱中，由于電子的平均自由程大于勢阱的寬度，將產(chǎn)生量子尺寸效應，態(tài)密度由體材 料的連續拋物線(xiàn)形變成量子阱中的臺階形，臺階形態(tài)密度分布使注入量子阱中電子、空穴能量分布更為集中，大 大提高了注入載流子的利用效率，由于量子阱材料吸收帶邊比體材料要陡直得多，因而吸收損耗系數至少降低一 個(gè)量級。

量子阱材料的另一重要特點(diǎn)是具有很強的室溫激子吸收行為。在二維量子阱材料中，由于電子和空穴被束縛在 寬度小于玻爾半徑的量子阱內，電子和空穴只能在量子阱平面內運動(dòng)，垂直于阱壁方向上運動(dòng)受量子尺寸(約小 于20nm)限制，電子和空穴之間平均距離減小，電子-空穴對的庫侖作用增加，這種電子-空穴對形成激子。由于勢壘的寬度較窄，勢阱與勢阱之間波函數交疊，量子阱材料中的激子結合能約為10 meV(體材料的激子束縛能約為2 meV)，已經(jīng)可與室溫下的載流子動(dòng)能26 meV相比擬，所以在室溫下量子阱中激子仍然不容易離化。室溫激子的存在使超晶格量子阱材料在帶邊附近的光學(xué)性質(zhì)與體材料有很大的不同，特別是在垂直于量子阱壁的電場(chǎng)作用下，光學(xué)性質(zhì)會(huì )有很大的改變，從而導致相關(guān)光學(xué)參數的非線(xiàn)性效應。主要有二維激子的非線(xiàn)性吸收及色散效應、電場(chǎng)作用下的量子限制Stark效應等。

對于多量子阱結構，在室溫下，當垂直于阱壁的電場(chǎng)高達105V/cm時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電子和空穴向勢阱兩側相反方向移動(dòng)，但由于勢壘的阻擋作用，激子仍然不會(huì )離化，仍有明顯的激子效應，吸收邊仍保持較為陡直。在外電場(chǎng)作用下，勢阱變?yōu)榉菍ΨQ(chēng)，能帶發(fā)生傾斜;基態(tài)電子、空穴波函數產(chǎn)生極化，偏向勢阱的兩側;基態(tài)能級有所下降，這將導致激子吸收峰紅移(向長(cháng)波方向移動(dòng));同時(shí)由于電子、空穴波函數的交疊程度減小，激子吸收峰強度降低，如圖所示。這種在垂直于量子阱壁的電場(chǎng)作用下，激子吸收峰紅移，同時(shí)吸收強度減小的現象稱(chēng)為量子限制Stark效應(QCSE)。半導體量子阱光調制器、自電光效應器件等都是利用量子阱在外電場(chǎng)作用下引起的吸收邊附近吸收系數和折射率改變的特性工作的。

圖 GaAs/AlGaAs量子阱在電場(chǎng)作用下的吸收譜