半导体量子阱的光吸收研究.pdf

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1、第1章概述第1章概述1.1半导体量子阱简介半导体量子阱是用带隙大小不同的两种半导体材料相间排列而且对电子或空穴具有明显量子限制效应势阱。半导体量子阱形成原理如下（AlAs和AlxGa1-xAs为例），用分子束外延的方法交替生长AlAs和AlxGa1-xAs薄层，在宽带隙的AlxGa1-xAs中掺以施主杂质，而在AlAs层中不掺杂。电子将发生转移，即从宽带隙的AlxGa1-xAs向窄带隙的AlAs转移，直到两侧达到同一费米能级。这样一来就会AlxGa1-xAs一侧形成电子的耗尽层。而AlAs一侧出现电子累积。这样，[6]AlAs层中的电子被限制在窄势阱中运动，我们称这样的势阱为半导体量子阱。用带

2、隙大小不同的多层半导体材料相间排列，当势垒层很厚时，使得相邻势阱间载流子波函数几乎不发生耦合，那么这样的多层结构称为多量子阱。当势垒层很薄时，相邻势阱间将出现强烈耦合，这就使得原先在各量子阱中分立的能级扩展成能带，耦合后能带的宽度及位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，我们把具有这种特性的多量子阱称为超晶格。光通信是现代通信的主要方式，当我们能够让通讯波长满足太赫兹波段，太赫兹光子器件必须对应出现。进一步完善半导体分子束外延生长技术，太赫兹光子器件则可以通过半导体量子阱来实现。如果要求太赫兹光子器件达到应用要求就必须改变半导体量子阱光学性质。改变半导体量子阱光学性质有很多种方法，最常用的主要

3、有两种。其一是应用能带工程由材料直接生长得到所要求的量子阱器件。其二是对量子阱[7,8]施加外加电场和磁场来制造影响，实现器件能带结构控制。这两种方法可以结合起来使用。我们主要研究通过量子阱器件在外场作用下产生的各种效应来改变量子阱光学特性，例如弗伦兹一凯尔迪什效应和量子约束斯塔克效应。1.2太赫兹电磁波以及太赫兹技术简介12太赫兹（THz）电磁波是指频率处于0.3~10THz（1T=10）的电磁波，从频率上看，在微波和红外线之间，如图1.1所示。由于太赫兹波段两侧的微波技术以及红外技术达到非常成熟的程度，而太赫兹技术起步较晚，还有很多理论和实验上的空白，主要的原因在于这个频段的电磁波，用适合

4、微波的理论或者是用适合用光学理论来处理都不太可行。这样一来就使得与太赫兹波段的研究结果和数据很少，因为要研究赫兹波段必然要求有相应的太赫兹源和探测器。到目前为止还受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，这一波段[1]的电磁波也因此被称为THz间隙。近些年来，由于自由电子激光器、量子第1页第1章概述[2,3][4]级联激光器、负有效质量振荡器以及超快激光技术的迅速发展，则得到稳定而可靠的太赫兹激发光源成为可能，那么太赫兹电磁波的发射机制、应用技术以及检测技术等各方面研究都得到迅速发展，各国科研人员在太赫兹图1.1（THz）太赫兹波在电磁波中位置技术研究方面成果显著。鉴于太赫兹技术能够在许多领域有

5、广泛的应用，例如宽带通信、微波定向，半导体（量子阱）材料以及高温超导材料的光学性[5]质研究等，因此在全球范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国的《Tech.Rev》杂志将THz技术评为“改变未来世界的十大技术”之四，2005年，日本政府把THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，我国政府在2005年11月召开了“香山科技会议”，制定了我国THz技术的发展规划。可以预见，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。但是现阶段困扰THz技术应用的问题是没有合适的太赫兹源和相关探测器。要从根本上解决这两个关键问题，需要对太赫兹场与半导体量子阱相互作用以及太赫兹波的相关物理发射机

6、制作进一步研究。1.3太赫兹场作用下量子阱带间跃迁研究对一个量子阱施加直流电场作用，让电场沿着量子阱的生长方向，则量子阱中有量子约束斯塔克效应产生，显著改变该效应会对量子阱的光吸收谱显著改变，光吸收谱红移出现而且强度也明显降低。有两个主要因素能够决定量子阱光学性质改变的程度。其一，量子阱子能带由于量子束缚作用从而变得很接近，使得吸收边的改变非常容易实现；其二，二维电子气的状态密度在能带边沿有非常快的变化。将太赫兹场作用于量子阱，则太赫兹场与量子阱子带间耦合将非常强，能[9]够产生很多物理现象，比如交流斯塔克效应以及弗伦兹一凯尔迪什效应等。还有，[10]对多量子阱施加太赫兹场作用的光吸收研究受到

7、特别关注。光吸收研究常采用双色光方案，通常把太赫兹波作为泵浦光，而近红外光作为探测光。而太赫兹源用自由电子激光器。量子阱的子带激发与太赫兹场耦合，第2页第1章概述量子阱的带间激发与近红外光耦合，表示于图1.2。结果表明，当太赫兹场作用于量子阱，吸收边发生红移。并且有光信号辐射出，在光吸收谱中这些光信号表现图1.2量子阱的子带激发与太赫兹场耦合，量子阱的带间激发与近红外光耦合[11,12]吸收边带(