量子阱中的激子效应及应用

量子阱中的激子效应及其应用

摘要

人们对半导体中的电子空穴对在库仑作用下形成的激子态及其有关的物理性质进行了深入研究。在量子化的低维电子结构中，激子束缚能要大得多，激子效应增强，也更稳定。这对制作利用激子效应的光电子器件非常有利。近年来量子阱、量子点等低维结构研究获得飞速的进展，已大大促进了激子效应在新型半导体光源和半导体非线性光电子器件领域的应用。关键词半导体，激子，量子阱，自电光效应ABSTRACT

The excitons in semiconductors formed by electron-hole pairs bound by Coulombic interaction have beenwell investigated. In quantized electronic low-dmi ensional structures the excitons have much larger binding energies than in bulkmaterials, showing strongerexcitonic effects and beingmore stable athigh temper-atures or under high electric field conditions. The progress obtained recently in investigations on quantum wells,quantumdotsand other low-dmi ensionalstructureshave greatlypromoted the ionsofexciton ic effects in many new sem iconductor light sources and non-linear opto-electronic devices.

Key words Semiconductor;Exciton;Quantum well;SEED

1. 引言

目前，世界各主要发达国家都已纷纷致力于信息高速公路的建设。如今依然在大规模使用的传统的电子器件已经不能很好的满足信息高速传输的要求。人们迫切需要研制出新的器件，打造未来信息高速公路。本文着重介绍了半导体中的一种特殊的束缚态——激子的形成及其特性，并对利用激子效应制作的各种量子器件在未来光通信中的应用进行了探讨。

2.激子形成及其特性

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子—空穴对。半导体吸收一个光子后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系再一起，从而形成了一种束缚态——激子。

激子在研究绝缘体和半导体的物理问题和光电性质时具有重要的意义。早在20世纪30年代，科学家就对激子开始了研究。在固体物理的研究发展史中，布洛赫首先用单电作为独立运动的量子来描述解释固体的导电性。1931年，前苏联的弗伦克尔考虑电子和空穴的相互作用，提出激子的概念。之后，激子物理的研究取得了系统而深入的进展[1]。20世纪60年代以前，人们对激子的研究主要集中在理论方面。激光技术发明以后，大大促进了人们对激子的实验研究。特别是近年来飞秒激光技术日益完善，大大促进了人们对激子超快相干过程的研究。

20世纪70年代以前，人们对激子的研究仅限于体材料。随着低维材料生长与加工技术的进步，20世纪的最后20年，低维材料中激子特性的研究成为主流

[2]

。近年来，信息产业迅速发展，已经成为支柱产业之一。光电子是信息产业中

的重要领域。在有源发光器件中，激子发光占据重要地位。器件应用的牵引作用，也极大地促进了人们对激子的广泛研究。

形成激子所需要的能量称为激子的结合能。体材料中，激子的结合能与氢原子中的电子和质子类似，但体材料中，由于激子的结合能太小，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。激子作为一个整体可以在半导体中自由运动，它很容易和半导体材料中的杂质结合在一起，激子的结合能也会以光子的形式释放。

激子的自由运动以及与杂质的结合可以引起激子效应。在半导体三维材料中，激子的玻尔半径一般很大，束缚能很低，因此激子效应不明显。但在低维系统中，当电子和空穴由于量子受限被限制在同一个空间区域内时，电子和空穴间的库仑相互作用得到增强，激子效应将随着系统的尺寸减小而增加。量子阱材料恰能很好满足这个条件。量子阱材料的一个重要人构属性就是它大大增强了自由激子的局域化程度，激子的离化能得到很大提高[3]。量子阱有着像三明治一样的结构，中间是很薄的一层半导体膜，外侧是两个隔离层。它是由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子阱中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。量子阱中的激子可近似看作在量子阱的平面内运动，如果忽略量子阱的宽度，则可看作是一个二维激子。实验证明，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。在低维系统中，激子效应往往主导了像AlGaAs/GaAs单量子阱和多量子阱材料的光吸收光谱和光致发光光谱。即使在室温下都能探测到AlGaAs/GaAs多