SEED智能像素器件的物理基礎(chǔ)

隨著分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)技術(shù)的成熟與發(fā)展，可以在半導(dǎo)體襯底上均勻生 長(zhǎng)原子量級(jí)的超薄層田，通過(guò)兩種半導(dǎo)體材料的交替生長(zhǎng)，形成一系列周期性的勢(shì)壘和勢(shì)阱，這就是所謂的超晶 格量子阱結(jié)構(gòu)卩引。在量子阱中，由于電子的平均自由程大于勢(shì)阱的寬度，將產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，態(tài)密度由體材 料的連續(xù)拋物線形變成量子阱中的臺(tái)階形，臺(tái)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(gè)量級(jí)。

量子阱材料的另一重要特點(diǎn)是具有很強(qiáng)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(nèi)，電子和空穴只能在量子阱平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，垂直于阱壁方向上運(yùn)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(duì)的庫(kù)侖作用增加，這種電子-空穴對(duì)形成激子。由于勢(shì)壘的寬度較窄，勢(shì)阱與勢(shì)阱之間波函數(shù)交疊，量子阱材料中的激子結(jié)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(dǎo)致相關(guān)光學(xué)參數(shù)的非線性效應(yīng)。主要有二維激子的非線性吸收及色散效應(yīng)、電場(chǎng)作用下的量子限制Stark效應(yīng)等。

對(duì)于多量子阱結(jié)構(gòu)，在室溫下，當(dāng)垂直于阱壁的電場(chǎng)高達(dá)105V/cm時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電子和空穴向勢(shì)阱兩側(cè)相反方向移動(dòng)，但由于勢(shì)壘的阻擋作用，激子仍然不會(huì)離化，仍有明顯的激子效應(yīng)，吸收邊仍保持較為陡直。在外電場(chǎng)作用下，勢(shì)阱變?yōu)榉菍?duì)稱，能帶發(fā)生傾斜;基態(tài)電子、空穴波函數(shù)產(chǎn)生極化，偏向勢(shì)阱的兩側(cè);基態(tài)能級(jí)有所下降，這將導(dǎo)致激子吸收峰紅移(向長(zhǎng)波方向移動(dòng));同時(shí)由于電子、空穴波函數(shù)的交疊程度減小，激子吸收峰強(qiáng)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(qiáng)度減小的現(xiàn)象稱為量子限制Stark效應(yīng)(QCSE)。半導(dǎo)體量子阱光調(diào)制器、自電光效應(yīng)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(shù)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