半導(dǎo)體超晶格和多量子阱

1、第9章 半導(dǎo)體超晶格和多量子阱 o 10.1 超晶格和多量子阱的一般描述o 10.2 超晶格的能帶o 10.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)o 10.4 超晶格的光譜特性o 10.5 超晶格和量子阱器件o 10.6 量子阱和超晶格的近期發(fā)展110.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述超晶格: Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長(zhǎng)在襯底上，使在外延生長(zhǎng)方向形成附加的晶格周期性。 當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運(yùn)動(dòng)將受到超晶格附加的周期勢(shì)場(chǎng)的影響，而其xy平面內(nèi)

2、的運(yùn)動(dòng)不受影響。 AB 在xy平面內(nèi)電子的動(dòng)能是連續(xù)的，z方向附加周期勢(shì)場(chǎng)使電子的能量分裂為一系列子能帶。210.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgAEcEvE2E1 多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢(shì)壘的寬度：當(dāng)勢(shì)壘很寬時(shí)電子不能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒(méi)有相互耦合，此為多量子阱的情況；當(dāng)勢(shì)壘足夠薄使得電子能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，原來(lái)在多量子阱中分立的能量En擴(kuò)展成能帶，此為超晶格的情況。310.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶

3、格和多量子阱的一般描述（1）組分調(diào)制超晶格 在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。410.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述 按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對(duì)準(zhǔn)情況，異質(zhì)結(jié)分為兩類： 型異質(zhì)結(jié): 窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，Ec和Ev的符號(hào)相反。不論對(duì)電子還是空穴，窄帶材料都是勢(shì)阱，寬帶材料都是勢(shì)壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。51

4、0.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述型異質(zhì)結(jié)（Ec和Ev的符號(hào)相同），分兩種：*A類超晶格：材料1的導(dǎo)帶和價(jià)帶都比材料2的低，禁帶是錯(cuò)開(kāi)的。材料1是電子的勢(shì)阱，材料2是空穴的勢(shì)阱。電子和空穴分別約束在兩材料中,如GaAs/AlAs超晶格。610.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述B類超晶格：禁帶錯(cuò)開(kāi)更大，窄帶材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于寬帶材料的價(jià)帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb 超晶格。710.1 超晶格和多量子阱的一般描述超晶格和多量子阱的一般描述（2）摻雜調(diào)制超晶格 在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體

5、結(jié)構(gòu)的材料。810.2 10.2 超晶格的能帶超晶格的能帶 o 10.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格o 10.2.2 InAs-GaSb超晶格o 10.2.3 HgTe-CdTe超晶格o 10.2.4 應(yīng)變層超晶格o 10.2.5 摻雜超晶格910.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格 對(duì)界面是突變異質(zhì)結(jié)的GaAs-AlxGa1-xAs超晶格的導(dǎo)帶和價(jià)帶都是一系列的方形勢(shì)阱。假設(shè)勢(shì)壘和勢(shì)阱的寬度相同，均為d。當(dāng)勢(shì)壘寬度d逐漸變小時(shí)，能級(jí)從高到低依次擴(kuò)展成能帶。這種情形和原子組成晶體的過(guò)程相似。1010.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格 能量和波矢的關(guān)系將如圖1

6、0. 7所示。由于超晶格在z方向上的周期a是單晶周期a的n倍，所以它在z方向的第一布里淵區(qū)比單晶的縮小了n倍。超晶格的能帶可以看成是原來(lái)GaAs能帶的折疊而成的，由于勢(shì)壘的作用形成了分立的能帶。1110.2.1 GaAs-AlxGa1-xAs超晶格 在超晶格中電子的態(tài)密度和能量的關(guān)系既不同于三維晶體中的拋物形，也不同于二維電子氣的臺(tái)階狀。在兩個(gè)臺(tái)階相銜接的地方不是突變而是緩變過(guò)渡，如圖10. 8所示。緩變說(shuō)明垂直于結(jié)方向上的電子能量不再是分立的能級(jí)，而擴(kuò)展成能帶了。1210.2.2 InAs-GaSb超晶格 II型超晶格，如圖10. 12所示。GaSb價(jià)帶中的電子可以進(jìn)人InAs的導(dǎo)帶，在邊界

7、上形成能帶的彎曲。界面兩邊積累的電子和空穴在界面上將形成較強(qiáng)的偶極層(圖10. 12 )。1310.2.2 InAs-GaSb超晶格 Sai-Halas:等人計(jì)算出了InAs-GaSb超晶格的子帶結(jié)構(gòu)，如圖10. 13所示圖。圖中E1，E2是電子的子帶，HH1-HH4是重空穴的子帶，LH1和LH2則是輕空穴的子帶。14 Si和Ge價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心k0處，并且價(jià)帶是簡(jiǎn)并的（若一個(gè)能級(jí)與一種以上的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，則稱之為簡(jiǎn)并能級(jí)，屬于同一能級(jí)的不同狀態(tài)的數(shù)目稱為該能級(jí)的簡(jiǎn)并度）。由于能帶簡(jiǎn)并，Si和Ge分別具有有效質(zhì)量不同的兩種空穴，有效質(zhì)量較大的稱為重空穴，有效質(zhì)量較小的稱為輕空穴。 對(duì)Si和

8、Ge性質(zhì)起作用的主要是重空穴和輕空穴。1510.2.2 InAs-GaSb超晶格 計(jì)算表明，超晶格的子帶結(jié)構(gòu)和超晶格的周期有很大的關(guān)系。如圖10. 14所示，當(dāng)周期加大時(shí)超晶格的禁帶會(huì)逐漸變小，當(dāng)周期達(dá)到170時(shí)超晶格由半導(dǎo)體性質(zhì)變?yōu)榘虢饘傩再|(zhì)。1610.2.2 InAs-GaSb超晶格因?yàn)镮nAs的導(dǎo)帶和GaSb的價(jià)帶相互交錯(cuò)，InAs-GaSb異質(zhì)結(jié)本來(lái)就應(yīng)該具有半金屬特性，但由于周期減少形成超晶格后電子的子帶能量離開(kāi)導(dǎo)帶底而上升，空穴的子帶能量也離開(kāi)價(jià)帶頂而下降，互相之間不再交錯(cuò)，因而出現(xiàn)了半導(dǎo)體性質(zhì)一旦這個(gè)系統(tǒng)變成了半金屬后，由于GaSb價(jià)帶中的電子向InAs導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移，將產(chǎn)生很強(qiáng)烈的能

9、帶彎曲。1710.2.3 HgTe-CdTe超晶格 HgTe的禁帶寬度接近于0，而CdTe和HgTe能帶相互之間的位置使E0，圖10. 15是用有效質(zhì)量近似法計(jì)算出的CdTe-HgTe超晶格4K下的k/=0時(shí)的電子和輕重空穴子帶的能量和CdTe層厚度d2的關(guān)系。當(dāng)d2逐漸加大時(shí)電子的最低子帶E1和空穴的最高子帶HH1在d250時(shí)相交。1810.2.3 HgTe-CdTe超晶格 圖10.16是取d1 =2d2 , d2和d2/2時(shí)的計(jì)算結(jié)果，縱坐標(biāo)用超晶格的禁帶寬度Eg=E1-HHl表示看得更為清楚。這兩個(gè)圖說(shuō)明，只有當(dāng)超晶格的周期小于某個(gè)一定的數(shù)值時(shí)，CdTe-HgTe超晶格才具有半導(dǎo)體特性，

10、當(dāng)周期大于這個(gè)數(shù)值時(shí)超晶格將具有半金屬特性。1910.2.4 應(yīng)變層超晶格 如果異質(zhì)結(jié)對(duì)的晶格匹配不好，界面上將出現(xiàn)位錯(cuò)而嚴(yán)重影響量子阱的性質(zhì)。但是，如果超晶格的每層的厚度足夠薄，雖然晶格存在著一定程度的失配，只要失配不超過(guò)7%9%，界面上的應(yīng)力就可以把兩側(cè)的晶格扭在一起而不產(chǎn)生缺陷。這種超晶格稱為應(yīng)變層超晶格。由于應(yīng)力的作用，超晶格兩層材料的平行于界面方向的晶格常數(shù)都要改變，趨于一個(gè)共同的晶格常數(shù)a/。 a/將由下式?jīng)Q定2010.2.4 應(yīng)變層超晶格 圖10. 19是用有效質(zhì)量近似法計(jì)算得到的GaAsxP1-x-GaP應(yīng)變層超晶格的禁帶寬度和GaP層厚度及GaAsxP1-x三元合金的晶格常數(shù)

11、的關(guān)系(晶格常數(shù)正比于組分)。在每一種組分下改變GaP層的厚度可改變超晶格的禁帶寬度。2110.2.5 摻雜超晶格 摻雜超晶格不是異質(zhì)結(jié)超晶格，它是由摻雜周期性變化的同一種材料形成的。在n型層中濃度為ND的施主全電離帶正電，在P型層中濃度為NA的受主全電離帶負(fù)電，在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別形成電子和空穴的勢(shì)阱。在這些勢(shì)阱中電子在垂直于層的方向上的能量將分裂成一系列的子帶。2210.2.5 摻雜超晶格假設(shè)n型層和P型層摻雜量相等且厚度相等，則有 根據(jù)式(10. 7)可以用調(diào)節(jié)摻雜濃度和層厚來(lái)改變等效禁帶寬度。只要摻雜濃度足夠高，就可以使超晶格的等效禁帶寬度從負(fù)值一直變到Eg。2310.3 垂直于超晶格方向

12、的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn) 在一維雙勢(shì)壘量子阱結(jié)構(gòu)中，只有當(dāng)勢(shì)壘左側(cè)的電子的能量和量子阱中允許的分立的能級(jí)一致時(shí)，電子才能幾乎無(wú)反射地隧道穿透整個(gè)結(jié)構(gòu)而進(jìn)人勢(shì)壘的左側(cè)，而其他能量的電子將被反射回來(lái)而不能通過(guò)。這種現(xiàn)象稱為共振隧道效應(yīng)。 圖10. 23是隧穿概率和電子能量的關(guān)系。2410.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn) 如圖10. 25所示，在兩端有兩個(gè)高摻雜GaAs層作電極，其中電子的費(fèi)米能級(jí)為EF。2510.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn) 對(duì)于雙勢(shì)壘和三個(gè)勢(shì)壘系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果如圖10. 26所示。伏安特性上是一系列的峰值，第一個(gè)峰值

13、的位置相當(dāng)于電極上的費(fèi)米能級(jí)和第一個(gè)子帶底對(duì)齊的情形。2610.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn) 在圖10. 27中的雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)上，勢(shì)壘左側(cè)和右側(cè)都分別相對(duì)于量子阱加偏壓，各為VEB和VCB。圖10. 27給出了電流和VEB的關(guān)系，而將VCB作為參數(shù)。以上的計(jì)算都表明，在超晶格結(jié)構(gòu)的伏安特性曲線上存在著負(fù)阻區(qū)，勢(shì)壘的高度和厚度愈大負(fù)阻愈大。這種結(jié)構(gòu)可以用來(lái)做振蕩器。27負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 28負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 29負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 30負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 o 負(fù)阻的概念 對(duì)于負(fù)載： 對(duì)于電源： 可見(jiàn)，電源在回路中等效為負(fù)電阻，其值等于回路中的負(fù)載電阻。物理實(shí)

14、質(zhì)是，負(fù)載消耗的功率等于電源提供的功率?；蛘哒f(shuō)具有負(fù)阻特性的電路可以提供負(fù)載消耗功率。電源R+v-RiviRivivo1/R-1/R31負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)阻器件抵消回路中的正阻損耗，產(chǎn)生自激振蕩的振蕩器。由于負(fù)阻器件與回路僅有兩端連接，故負(fù)阻振蕩器又稱為“二端振蕩器”。 正功率表示能量的消耗，負(fù)功率表示能量的產(chǎn)生，即負(fù)阻器件在一定條件下，不但不消耗交流能量，反而向外部電路提供交流能量，當(dāng)然該交流能量并不存在于負(fù)阻器件內(nèi)部，而是利用其能量變換特性，從保證電路工作的直流能量中取得。所以負(fù)阻振蕩器同樣是一個(gè)能量變換器。3210.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電

15、子輸運(yùn) 在以上的伏安特性計(jì)算中都忽略了GaAs和AlGaAs中電子有效質(zhì)量的差別。事實(shí)上這一差別對(duì)勢(shì)阱中子帶底的位置有較明顯的影響。計(jì)入了GaAs和AlxGa1-xAs的電子的m的差別，并對(duì)外加電壓下勢(shì)壘形狀的改變假設(shè)了兩種模型，一種是傾斜勢(shì)壘模型，如圖10. 30中的插圖所示。另一種模型是平底模型，如圖10. 32所示，在外加電壓下兩側(cè)的勢(shì)壘不等高，但勢(shì)阱底是平的。3310.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)3410.3 垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn) 從這些圖上可以看到，外加電壓增加時(shí)，隧穿概率的峰值向低能方向移動(dòng)。3510.4 10.4 超晶格

16、的光譜特性超晶格的光譜特性 o 10.4.1 吸收光譜實(shí)驗(yàn)o 10.4.2 激子光譜o 10.4.3 激子的飽和吸收o 10.4.4 室溫?zé)晒馓匦詏 10.4.5 其他光譜特性3610.4 10.4 超晶格的光譜特性超晶格的光譜特性 光譜特性是研究半導(dǎo)體材料(包括體材料和量子阱材料)中電子能帶結(jié)構(gòu)的有力工具。 吸收光譜是改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)測(cè)量樣品的透過(guò)率，由吸收峰的位置和強(qiáng)度探測(cè)電子能級(jí)的位置和相對(duì)的密度； 熒光光譜是用一種能量較大的固定波長(zhǎng)的光（hEg）照射樣品，并測(cè)量所發(fā)出的熒光的光譜，穩(wěn)態(tài)的熒光光譜反映了帶邊或者雜質(zhì)能級(jí)的分布情況，時(shí)間分辨的熒光光譜還可以反映出載流子的弛豫過(guò)程； 激發(fā)光譜

17、則是改變激發(fā)光的波長(zhǎng)，而測(cè)量某一固定波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度。3710.4.1 10.4.1 吸收光譜實(shí)驗(yàn)吸收光譜實(shí)驗(yàn) 早在1975年Dingle就用光吸收實(shí)驗(yàn)清晰地演示了由多量子阱向超晶格的過(guò)渡過(guò)程。圖10. 39(a)為8個(gè)單量子阱結(jié)構(gòu)的吸收光譜。吸收光譜上在1. 615和1. 637eV處出現(xiàn)的兩個(gè)峰正好相當(dāng)于量子阱中n=1的重空穴和輕空穴子帶分別向n=1的電子的子帶的躍遷。圖的下方標(biāo)出的黑白兩個(gè)長(zhǎng)方條是理論計(jì)算出的峰值位置，黑色代表重空穴，白色代表輕空穴。3810.4.1 10.4.1 吸收光譜實(shí)驗(yàn)吸收光譜實(shí)驗(yàn) 圖10. 39(b)是六個(gè)周期的雙量子阱的GaAs-Al0.19Ga0.81 As結(jié)

18、構(gòu)的吸收光譜。從圖上可以明顯看出兩個(gè)勢(shì)阱之間電子能級(jí)的藕合。n=1的電子和空穴能級(jí)都產(chǎn)生了分裂，在吸收光譜上看到了四個(gè)峰。 圖10. 39(c)則是三個(gè)勢(shì)阱的吸收光譜。3910.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜 和體材料相比，量子阱的激子光譜有以下幾個(gè)明顯不同的特征:（1）在低溫下量子阱的光譜中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位，圖10. 40是GaAs-Al0.3Ga0.7 As多量子阱結(jié)構(gòu)的低溫( 1. 8K)激發(fā)光譜、吸收光譜和熒光光譜的測(cè)量結(jié)果。4010.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜 在吸收光譜和激發(fā)光譜上的兩個(gè)很銳的峰相當(dāng)于n=1的e-hh和e-lh子帶間的自由激子的躍遷

19、。在熒光光譜相當(dāng)?shù)奈恢蒙系膬蓚€(gè)峰則是自由激子復(fù)合產(chǎn)生的熒光。 造成量子阱中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位的原因主要是激子的二維性。4110.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜 在帶間躍遷過(guò)程中要遵守ni=0的選擇定則，在量子阱的光譜中出現(xiàn)某些ni0的激子躍遷。圖10.40中，在1e- 1lh和2e-2hh激子峰之間看到一個(gè)禁戒的躍遷。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還表明，能看到1e-3hh，2e-4hh，3e-1hh和4e-2hh的禁戒躍遷。4210.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜4310.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜4410.4.2 10.4.2 激子光譜激子光譜 (4)在一般體材料中只

20、能在極低溫度下看到激子吸收峰。但是，室溫下在量子阱吸收光譜中也能看到很強(qiáng)和很銳的激子吸收峰。圖10. 42是GaAs-Al0.28Ga0.72As量子阱的室溫吸收光譜，兩個(gè)峰相當(dāng)于重空穴和輕空穴的自由激子吸收。出現(xiàn)這一特點(diǎn)的原因是量子阱中激子的束縛能較大，離帶邊吸收較遠(yuǎn)，溫度升高光學(xué)聲子散射會(huì)使激子峰展寬，但展寬的程度和體材料中相應(yīng)的展寬相差不多，因而仍能使激子峰明顯地表現(xiàn)出來(lái)。4510.4.3 10.4.3 激子的飽和吸收激子的飽和吸收 當(dāng)光強(qiáng)比較小的時(shí)候，一般物體的光吸收系數(shù)和光強(qiáng)無(wú)關(guān)，稱之為線性光學(xué)吸收。當(dāng)光強(qiáng)較大的時(shí)候，吸收系數(shù)可能隨著光強(qiáng)的增加而減小，出現(xiàn)了光吸收的飽和現(xiàn)象，稱為非線

21、性光學(xué)吸收。產(chǎn)生飽和吸收的原因有多種。 在兩能級(jí)系統(tǒng)中強(qiáng)光激發(fā)引起低能級(jí)電子的耗盡會(huì)造成吸收的飽和，半導(dǎo)體的帶間躍遷也會(huì)產(chǎn)生類似的飽和吸收，但這些非線性光吸收將在光強(qiáng)很高時(shí)才發(fā)生。在量子阱結(jié)構(gòu)中，在光強(qiáng)比體材料中小幾個(gè)量級(jí)時(shí)就可觀察到自由激子吸收線的飽和。4610.4.4 10.4.4 室溫?zé)晒馓匦允覝責(zé)晒馓匦?圖10. 44是GaAs (5 5 ) Al0.33 Ga0.67As (170)量子阱的熒光譜。對(duì)熒光峰的本質(zhì)有兩種不同的意見(jiàn)一種認(rèn)為室溫下量子阱中的復(fù)合也是以自由激子的復(fù)合為主，兩個(gè)熒光峰值相應(yīng)于輕重空穴激子的復(fù)合。依據(jù)是這兩個(gè)峰值的位置與激發(fā)光譜上看到的兩個(gè)激子吸收峰(1. 53

22、4和1. 512eV)符合得很好。4710.4.4 10.4.4 室溫?zé)晒馓匦允覝責(zé)晒馓匦?另一種意見(jiàn)則認(rèn)為，室溫下的光熒光不是激子復(fù)合而主要是子帶間自由載流子復(fù)合產(chǎn)生的。4810.4.5 10.4.5 其他光譜特性其他光譜特性 垂直方向的電場(chǎng)對(duì)量子阱的熒光光譜的影響也是一個(gè)有興趣的研究方向。主要表現(xiàn)在隨電場(chǎng)的增加，熒光峰位置移動(dòng)，并且強(qiáng)度減弱，甚至淬滅，如圖10. 47所示。初步研究表明，造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)，一是電場(chǎng)使量子阱中的電子和空穴向不同的方向偏離，改變了激子的束縛能，并且減少了電子和空穴在空間的覆蓋區(qū)域而降低了激子的躍遷概率。4910.4.5 10.4.5 其他光譜特性其他

23、光譜特性 另一個(gè)是電場(chǎng)對(duì)量子阱勢(shì)場(chǎng)的影響增加了載流子以隧道方式穿出阱外的概率，從而使熒光淬滅。電場(chǎng)對(duì)量子阱的激子吸收光譜也有類似的影響。5010.5 10.5 超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱器件 超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅在物理研究上開(kāi)拓了一個(gè)新的領(lǐng)域，而且在新器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用上也具有重大的意義，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些超晶格和量子阱的新型器件。 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵元件。發(fā)展半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的目標(biāo)是小型化(約lm)、快速(約1ns)、低功率(約1 W)和高溫(300K)工作。5110.5 10.5 超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱器件 D. A. B. Miller

24、等人提出了一種新型的混合的光雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)器件，它可在更小的光功率下工作，稱為自電光效應(yīng)器件(SEED)。將這種器件按圖10.53所示聯(lián)在外電路中將成為很好的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)。5210.5 10.5 超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱器件工作原理如下:選取入射光的波長(zhǎng)在量子阱室溫激子吸收線附近，外加電路為反偏壓。當(dāng)入射光強(qiáng)很小時(shí)SEED中光電流很小，外電路電壓都集中在器件上，在量子阱上有一個(gè)較大的電場(chǎng)，因而激子吸收線離開(kāi)入射光的波長(zhǎng)向低能方向移動(dòng)。所以，整個(gè)器件的光吸收并不強(qiáng)，有較大的光功率從輸出端射出。5310.5 10.5 超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱器件逐漸增加人射光功率，器件上的光電流也在逐步

25、增加，光電流的增加使器件上的阻抗相對(duì)于串聯(lián)電阻R降低，而使電壓降主要落到R上，因而量子阱中外加電場(chǎng)的下降使激子吸收線返回到它原來(lái)的位置，立刻造成了人射光的較強(qiáng)的吸收，使輸出端光功率迅速降低，器件關(guān)斷。5410.6 10.6 量子阱和超晶格的近期發(fā)展量子阱和超晶格的近期發(fā)展 o 10.6.1 量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）o 10.6.2 超晶格子能帶的電學(xué)研究o 10.6.3 量子阱超晶格光電接收器o 10.6.4 Wannier-Stark效應(yīng)o 10.6.5 超晶格紅外級(jí)聯(lián)激光器5510.6.1 10.6.1 量子限制斯塔克效應(yīng)（量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSEQCSE） 在量子阱上加偏壓時(shí)，

26、量子阱的能帶圖會(huì)傾斜。導(dǎo)帶勢(shì)阱中的電子和價(jià)帶勢(shì)阱中的空穴會(huì)各自偏向一邊，如圖10. 55所示。雖然電子和空穴各自偏向勢(shì)阱的一邊，但它們的波函數(shù)在空間上仍然重疊。此時(shí)吸收系數(shù)的帶邊能量E比不加電場(chǎng)時(shí)的帶邊能量，也就是禁帶寬度Eg要小，有一個(gè)紅移。這一紅移的多少隨外加電場(chǎng)的大小而變化。這就是量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。這一效應(yīng)在研制量子阱的光電調(diào)制器時(shí)被廣泛地應(yīng)用。5610.6.2 10.6.2 超晶格子能帶的電學(xué)研究超晶格子能帶的電學(xué)研究 Rauch等人發(fā)展的用隧道熱電子晶體管三端器件研究超晶格子能帶的方法。5710.6.2 10.6.2 超晶格子能帶的電學(xué)研究超晶格子能帶的電學(xué)研究 測(cè)量時(shí)，采取共基極線路如圖所示，而發(fā)射極對(duì)基極加負(fù)電壓。電子注人時(shí)的能量由外加電壓來(lái)調(diào)節(jié)，電子隧穿過(guò)勢(shì)壘。實(shí)驗(yàn)表明，75%以上的注入電子是以彈射(ballistic)的方式越過(guò)的基區(qū)，穿過(guò)漂移區(qū)后到達(dá)超晶格。凡是能量和超晶格子能帶相匹配的電子就能隧穿過(guò)去到達(dá)集電極，形成集電極電流。而能量不能和超晶格子能帶相匹配的電子就不能到達(dá)集電極。因而，測(cè)量IC/IE就能看到超晶格子能帶的信息。5810.6.3 10.6.3 量子阱超晶格光電接收器量子阱超晶格光電接收器 傳統(tǒng)帶間光吸收指電子吸收光子后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一個(gè)光生電子空穴對(duì)，這些光生載流子在外加偏壓的作用下，被收集形成光電流，這是