隨著分子束外延(MBE)和金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)技術的成熟與發(fā)展，可以在半導體襯底上均勻生 長原子量級的超薄層田，通過兩種半導體材料的交替生長，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，將產生量子尺寸效應，態(tài)密度由體材 料的連續(xù)拋物線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(shù)至少降低一 個量級。
量子阱材料的另一重要特點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，垂直于阱壁方向上運動受量子尺寸(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(shù)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)，已經可與室溫下的載流子動能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性質與體材料有很大的不同，特別是在垂直于量子阱壁的電場作用下，光學性質會有很大的改變，從而導致相關光學參數(shù)的非線性效應。主要有二維激子的非線性吸收及色散效應、電場作用下的量子限制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高達105V/cm時，在電場的作用下，電子和空穴向勢阱兩側相反方向移動，但由于勢壘的阻擋作用，激子仍然不會離化，仍有明顯的激子效應，吸收邊仍保持較為陡直。在外電場作用下，勢阱變?yōu)榉菍ΨQ，能帶發(fā)生傾斜;基態(tài)電子、空穴波函數(shù)產生極化，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(向長波方向移動);同時由于電子、空穴波函數(shù)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作用下，激子吸收峰紅移，同時吸收強度減小的現(xiàn)象稱為量子限制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作用下引起的吸收邊附近吸收系數(shù)和折射率改變的特性工作的。
圖 GaAs/AlGaAs量子阱在電場作用下的吸收譜
下載文檔
