《半导体微结构物理效应及其应用讲座第2讲量子阱 超晶格物理及其在光电子领域中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体微结构物理效应及其应用讲座第2讲量子阱 超晶格物理及其在光电子领域中的应用（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、讲 座半 导 体 微 结 构 物 理 效 应 及 其 应 用 讲 座第 2 讲 量 子 阱 、 超 晶 格 物 理及 其 在 光 电 子 领 域 中 的 应 用 3夏 建 白 (中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 北 京 100083)摘 要 文 章 介 绍 了 半 导 体 量 子 阱 、 超 晶 格 的 基 本 物 理 ,以 及 它 在 光 电 子 领 域 中 的 应 用 ,包 括 量 子 阱 、 量 子 线 、 量子 点 、 激 光 器 、 光 调 制 器 、 自 电 光 效 应 器 件 、 量 子 点 器 件 等 .关 键 词 量 子 阱 ,超 晶 格 ,量 子 点 ,光 调 制
2、 器 ,激 光 器The physics of quantum wells and superlatticesand their applications in opto2electronicsXIA Jian2Bai ( Institute of Semiconductors , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083 , China)Abstract The basic physics of semiconductor quantum wells and superlattices and their applications in opt
3、o2elec2tronics are reviewed. Topics covered include quantum wells , quantum wires , quantum dots , lasers , modulators , self | electro2optic2effect devices , and quantum dot devices .Key words quantum well , superlattice , quantum dot , modulator , laser3 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (批 准 号 : G2001CB309
4、500) ,国 家 自然 科 学 基 金 (批 准 号 :90301007)资 助 项 目2003 - 11 - 03 收 到 初 稿 ,2004 - 04 - 21 修 回E2mail :xiajb red. semi. ac. cn1 量 子 阱 和 超 晶 格自 从 量 子 阱 、 超 晶 格 得 到 广 泛 的 研 究 和 应 用 以后 ,人 们 开 始 努 力 发 展 一 些 新 的 技 术 ,制 造 能 将 载 流子 限 制 在 一 个 方 向 (量 子 线 )或 者 零 个 方 向 (量 子 点 )的 异 质 结 构 . Arakawa 等 1 于 1986 年 在 理 论 上
5、预 言 ,如 果 相 邻 量 子 线 或 者 量 子 点 之 间 没 有 强 的 耦 合 ,则由 它 们 制 造 的 激 光 器 在 阈 值 电 流 、 调 制 动 力 学 和 谱线 特 性 等 方 面 将 优 于 量 子 阱 激 光 器 . Sakaki 2 于1987 年 预 言 ,在 量 子 线 中 ,由 于 维 度 限 制 大 大 减 小了 弹 性 散 射 概 率 ,就 能 得 到 非 常 高 的 电 子 迁 移 率 ,因此 能 用 于 制 作 高 速 电 子 器 件 .作 为 技 术 应 用 的 量 子 异 质 结 构 必 须 满 足 下 列 4个 条 件 : (1)横 向 尺 寸
6、必 须 在 10nm 以 下 ,这 样 才 有 量子 限 制 效 应 产 生 ; (2) 尺 寸 分 布 要 均 匀 ,使 得 由 尺 寸不 均 匀 产 生 的 光 谱 线 非 均 匀 加 宽 达 到 最 小 . 这 个 要求 对 量 子 点 最 为 重 要 ,也 最 难 达 到 ; (3) 两 种 材 料 的界 面 必 须 整 齐 、 无 缺 陷 ,否 则 将 产 生 大 量 无 辐 射 的 复合 中 心 ; (4)在 结 构 和 化 学 上 是 稳 定 的 .1. 1 量 子 阱 和 超 晶 格两 种 材 料 的 晶 格 常 数 相 近 ,失 配 度 不 超 过 1 % ,则 由 这 两
7、种 材 料 组 成 的 超 晶 格 称 为 匹 配 超 晶 格 . 最常 见 的 匹 配 超 晶 格 是 GaAs/ Al x Ga1 - xAs ,当 Al 组 分x E g , (6)其 中 EFc , EFv分 别 是 导 带 和 价 带 的 准 费 米 能 级 , E g是 有 效 带 隙 . 一 般 的 半 导 体 ,如 GaAs ,导 带 的 有 效 质量 总 是 远 小 于 价 带 的 有 效 质 量 . 对 量 子 阱 ,它 的 态 密度n ( E) = m3 2 w , (7)其 中 m 3 是 有 效 质 量 , w 是 量 子 阱 的 阱 宽 . 所 以 导 带子 带 的
8、 态 密 度 远 小 于 价 带 子 带 的 态 密 度 . 当 增 加 注 入载 流 子 密 度 时 ,导 带 的 准 费 米 能 级 EFc增 加 得 比 价 带的 EFv快 得 多 ,使 得 粒 子 数 反 转 的 效 果 变 差 .最 理 想 的情 形 应 该 是 两 者 的 有 效 质 量 相 近 ,即 m 3c m 3v ,使 得EFc和 EFv同 时 达 到 带 边 ,实 现 粒 子 数 反 转 .利 用 应 变 超 晶 格 就 能 达 到 这 一 目 的 . 如 果 量 子阱 材 料 在 平 面 内 受 到 压 缩 应 变 ,则 它 的 重 空 穴 带 和轻 空 穴 带 就 会
9、 分 离 ,重 空 穴 带 上 升 ,轻 空 穴 带 下 降 ,使 得 两 者 之 间 的 耦 合 减 小 ,成 为 独 立 的 带 . 量 子 阱 中重 空 穴 子 带 HH1 在 限 制 方 向 ( z) 的 有 效 质 量 大 ,而在 平 面 ( x2y)内 的 有 效 质 量 小 ,接 近 于 电 子 的 有 效 质量 .由 (7)式 可 知 ,这 时 重 空 穴 子 带 的 态 密 度 也 变 小了 . 实 验 证 明 ,采 用 压 缩 应 变 超 晶 格 制 造 的 激 光 器 性能 得 到 显 著 提 高 .除 了 改 进 激 光 器 的 有 源 介 质 以 外 ,在 激 光 器
10、 的结 构 上 也 有 许 多 改 进 ,以 提 高 它 的 性 能 . 例 如 ,代 替介 质 上 下 两 边 一 种 包 复 材 料 (见 图 1) ,采 用 两 种Al x Ga1 - xAs 材 料 ( x = 0. 5 和 x = 1) ,对 电 子 和 光 场分 别 限 制 的 异 质 结 构 (SCH) ,或 者 折 射 率 渐 变 的 ( x由 0 至 0. 5 ,以 及 由 0. 5 至 1) 分 别 限 制 异 质 结 构( GRINSCH) ,以 分 别 改 进 对 电 子 和 光 场 的 限 制 .以 上 讨 论 的 都 是 平 面 激 光 器 结 构 ,光 沿 着 有
11、 源区 的 平 面 转 播 和 发 射 . 在 有 些 情 形 下 ,如 系 统 的 光 互连 ,要 求 有 高 度 平 行 的 光 输 出 ,因 此 需 要 有 垂 直 于 有源 区 平 面 发 射 的 激 光 器 . 图 3 是 一 种 垂 直 腔 面 发 射激 光 器 (VCSEL) 的 示 意 图 . 它 由 上 下 部 的 分 布 布 拉格 反 射 器 (DBR) 以 及 中 间 的 腔 和 有 源 区 组 成 . DBR由 折 射 率 大 和 小 的 两 种 材 料 交 替 排 列 组 成 ,例 如GaAs( n = 3. 5)和 AlAs( n = 2. 9) ,每 一 层 的
12、厚 度 等 于1/ 4 波 长 . 对 于 由 16 个 周 期 组 成 的 DBR ,它 在 中 心波 长 980nm 附 近 有 100nm 宽 的 全 反 射 带 . 如 果 腔 为1 个 波 长 厚 ,则 腔 模 的 间 距 约 为 100nm ,因 此 DBR 除了 对 980nm 的 基 模 反 射 外 ,对 高 阶 模 将 不 反 射 . 因 此VCSEL 将 是 一 个 单 纵 向 模 的 激 光 器 ,它 在 一 个 宽 的温 度 范 围 内 产 生 一 个 非 常 稳 定 的 波 长 输 出 . 当 增 益谱 随 温 度 位 移 时 ,它 将 不 在 模 之 间 跳 动 .
13、与 平 面 激 光 器 相 比 ,VCSEL 具 有 下 列 优 点 : (1)在 解 理 之 前 就 能 测 试 激 光 器 的 性 能 ; (2) VCSEL 的 直径 可 以 做 得 很 小 ,便 于 制 成 高 密 度 的 二 维 阵 列 ; (3)VCSEL 的 截 面 可 以 做 成 圆 的 ,便 于 光 纤 耦 合 和 自 由空 间 通 信 . VCSEL 的 缺 点 是 大 的 串 联 电 阻 ,容 易 导 致发 热 .686讲 座物 理图 3 垂 直 腔 面 发 射 激 光 器 示 意 图3 量 子 阱 的 激 子 效 应 及 光 开 关 、 调 制器 的 应 用在 光 的
14、作 用 下 ,当 电 子 由 价 带 激 发 到 导 带 时 ,在价 带 中 留 下 一 个 带 正 电 的 空 穴 . 导 带 中 的 电 子 与 价带 中 的 空 穴 由 于 库 仑 相 互 作 用 形 成 一 个 束 缚 态 激 子 ,形 成 激 子 所 需 的 能 量 称 为 激 子 的 结 合 能 . 在 体材 料 中 ,激 子 类 似 于 氢 原 子 中 的 质 子 和 电 子 ,激 子 的结 合 能Eex = 20R , (8)其 中 R = 13. 6eV 是 里 德 伯 常 数 , 0 是 半 导 体 的 介 电常 数 , 是 电 子 和 空 穴 的 折 合 质 量 ,1 =
15、1m 3e +1m 3h , (9)式 中 m 3e , m 3n 分 别 是 电 子 和 空 穴 的 有 效 质 量 . 代 入GaAs 的 值 ,得 到 Eex = 5meV 左 右 . 激 子 的 轨 道 半 径为 有 效 玻 尔 半 径 ,aex = 0 aB 10nm , (10)其 中 aB 是 玻 尔 半 径 . 在 体 材 料 中 ,由 于 激 子 的 结 合能 很 小 ,它 很 容 易 被 晶 格 振 动 或 无 规 静 电 场 所 离 解 ,所 以 实 验 上 不 容 易 被 观 察 到 .量 子 阱 中 的 电 子 和 空 穴 可 以 近 似 地 看 作 在 量 子阱 的
16、 平 面 内 运 动 . 如 果 我 们 忽 略 量 子 阱 的 宽 度 ,则 可看 作 是 一 个 二 维 激 子 . 可 以 证 明 ,二 维 激 子 的 结 合 能是 三 维 激 子 的 4 倍 ,实 际 量 子 阱 中 激 子 的 结 合 能 要稍 小 一 些 ,但 仍 比 三 维 激 子 的 要 大 得 多 ,它 与 量 子阱 的 宽 度 、 势 垒 高 度 有 关 .由 于 量 子 阱 中 激 子 结 合 能 较 大 ,就 容 易 观 察 到激 子 的 吸 收 峰 . 它 通 常 有 重 空 穴 激 子 和 轻 空 穴 激 子2 个 峰 ,峰 的 能 量 比 吸 收 边 的 能 量 小 . 实 验 发 现 当 激发 光 的 功 率 逐 渐 增 加 时 ,激 子 峰 逐 渐 变 平 ,最 后 消失 8 . 这 种 现 象 称 为 激 子 吸 收 饱 和 ,这 时 的 光 激 发 功率 约 为 800W
