SEED智能像素器件的物理基础

随着分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)技术的成熟与发展，可以在半导体衬底上均匀生 长原子量级的超薄层田，通过两种半导体材料的交替生长，形成一系列周期性的势垒和势阱，这就是所谓的超晶 格量子阱结构卩引。在量子阱中，由于电子的平均自由程大于势阱的宽度，将产生量子尺寸效应，态密度由体材 料的连续抛物线形变成量子阱中的台阶形，台阶形态密度分布使注入量子阱中电子、空穴能量分布更为集中，大 大提高了注入载流子的利用效率，由于量子阱材料吸收带边比体材料要陡直得多，因而吸收损耗系数至少降低一 个量级。

量子阱材料的另一重要特点是具有很强的室温激子吸收行为。在二维量子阱材料中，由于电子和空穴被束缚在 宽度小于玻尔半径的量子阱内，电子和空穴只能在量子阱平面内运动，垂直于阱壁方向上运动受量子尺寸(约小 于20nm)限制，电子和空穴之间平均距离减小，电子-空穴对的库仑作用增加，这种电子-空穴对形成激子。由于势垒的宽度较窄，势阱与势阱之间波函数交叠，量子阱材料中的激子结合能约为10 meV(体材料的激子束缚能约为2 meV)，已经可与室温下的载流子动能26 meV相比拟，所以在室温下量子阱中激子仍然不容易离化。室温激子的存在使超晶格量子阱材料在带边附近的光学性质与体材料有很大的不同，特别是在垂直于量子阱壁的电场作用下，光学性质会有很大的改变，从而导致相关光学参数的非线性效应。主要有二维激子的非线性吸收及色散效应、电场作用下的量子限制Stark效应等。

对于多量子阱结构，在室温下，当垂直于阱壁的电场高达105V/cm时，在电场的作用下，电子和空穴向势阱两侧相反方向移动，但由于势垒的阻挡作用，激子仍然不会离化，仍有明显的激子效应，吸收边仍保持较为陡直。在外电场作用下，势阱变为非对称，能带发生倾斜;基态电子、空穴波函数产生极化，偏向势阱的两侧;基态能级有所下降，这将导致激子吸收峰红移(向长波方向移动);同时由于电子、空穴波函数的交叠程度减小，激子吸收峰强度降低，如图所示。这种在垂直于量子阱壁的电场作用下，激子吸收峰红移，同时吸收强度减小的现象称为量子限制Stark效应(QCSE)。半导体量子阱光调制器、自电光效应器件等都是利用量子阱在外电场作用下引起的吸收边附近吸收系数和折射率改变的特性工作的。

图 GaAs/AlGaAs量子阱在电场作用下的吸收谱