摘 要：半導體量子阱材料的發展，極大地拓寬了光電材料的范圍，而量子阱材料本身也被廣泛應用于制作各種光電器件。本文首先介紹了量子阱的基本原理，然后重點介紹了量子阱器件的結構，最后總結了量子阱的各個應用領域。文章發表在《微電子學與計算機》上，是工程師論文發表范文，供同行參考。

　　關鍵詞：量子阱;器件;紅外探測器;激光器;

　　1 引言

　　量子阱器件,即指采用量子阱材料作為有源區的光電子器件,材料生長一般是采用MOCVD外廷技術。這種器件的特點就在于它的量子阱有源區具有準二維特性和量子尺寸效應。二維電子空穴的態密度是臺階狀分布,量子尺寸效應決定了電子空穴不再連續分布而是集中占據著量子化第一子能級,增益譜半寬大為降低、且價帶上輕重空穴的簡并被解除,價帶間的吸收降低。

　　2 量子阱器件基本原理

　　2.1 量子阱基本原理[1]

　　半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維周期性結構.以GaAs/AlAs半導體超晶格的結構為例:在半絕緣GaAs襯底上沿[001]方向外延生長500nm左右的GaAs薄層,而交替生長厚度為幾埃至幾百埃的AlAs薄層。這兩者共同構成了一個多層薄膜結構。GaAs的晶格常數為0.56351nm,AlAs的晶格常數為0.56622nm。由于AlAs的禁帶寬度比GaAs的大,AlAs層中的電子和空穴將進入兩邊的GaAs層，“落入”GaAs材料的導帶底,只要GaAs層不是太薄,電子將被約束在導帶底部,且被阱壁不斷反射。換句話說,由于GaAs的禁帶寬度小于AlAs的禁帶寬度,只要GaAs層厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”著載流子,無論處在其中的載流子的運動路徑怎樣,都必須越過一個勢壘,由于GaAs層厚度為量子尺度,我們將這種勢阱稱為量子阱.

　　當GaAs和AlAs沿Z方向交替生長時,圖2描繪了超晶格多層薄膜結構與相應的的周期勢場。其中a表示AlAs薄層厚度(勢壘寬度),b表示薄層厚度(勢阱寬度)。如果勢壘的寬度較大,使得兩個相鄰勢阱中的電子波函數互不重疊,那么就此形成的量子阱將是相互獨立的,這就是多量子阱。多量子阱的光學性質與單量子阱的相同,而強度則是單量子阱的線性迭加。另一方面,如果兩個相鄰的量子阱間距很近,那么其中的電子態將發生耦合,能級將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個相鄰的子能帶

　　之間又存在能隙,稱為子能隙。通過人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導體微結構表現出多種多樣的宏觀性質。

　　2.2 量子阱器件

　　量子阱器件的基本結構是兩塊N型GaAs附于兩端,而中間有一個薄層,這個薄層的結構由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的復合形式組成,。

　　在未加偏壓時,各個區域的勢能與中間的GaAs對應的區域形成了一個勢阱,故稱為量子阱。電子的運動路徑是從左邊的N型區(發射極)進入右邊的N型區(集電極),中間必須通過AlGaAs層進入量子阱,然后再穿透另一層AlGaAs。

　　量子阱器件雖然是新近研制成功的器件,但已在很多領域獲得了應用,而且隨著制作水平的提高,它將獲得更加廣泛的應用。

　　3 量子阱器件的應用

　　3.1 量子阱紅外探測器

　　量子阱紅外探測器(QWIP)是20世紀90年刊發展起來的高新技術。與其他紅外技術相比,QWIP具有響應速度快、探測率與HgCdTe探測器相近、探測波長可通過量子阱參數加以調節等優點。而且,利用MBE和MOCVD等先進工藝可生長出高品質、大面積和均勻的量子阱材料,容易做出大面積的探測器陣列。正因為如此,量子阱光探測器,尤其是紅外探測器受到了廣泛關注。

　　QWIP是利用摻雜量子阱的導帶中形成的子帶間躍遷,并將從基態激發到第一激發態的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程,實現對紅外輻射的探測。通過調節阱寬、壘寬以及AlGaAs中Al組分含量等參數,使量子阱子帶輸運的激發態被設計在阱內(束縛態)、阱外(連續態)或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂(準束縛態),以便滿足不同的探測需要,獲得最優化的探測靈敏度。因此,量子阱結構設計又稱為“能帶工程”是QWIP最關鍵的一步。另外,由于探測器只吸收輻射垂直與阱層面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要組成部分。

　　3.2 量子阱在光通訊方面的應用

　　光通信是現代通信的主要方式,光通訊的發展需要寬帶寬、高速、大容量的光發射機和光接收機,這些儀器不僅要求其體積小,質量高,同時又要求它成本低,能夠大規模應用,為了達到這些目的,光子集成電路(PIC’S)和光電子集成電路(OEIC’S)被開發出來。但是,通常光子集成電路和光電子集成電路是采用多次光刻,光柵技術、干濕法腐蝕技術、多次選擇外延生長MOCVD或MBE等復雜工藝,從而可能使銜接部位晶體質量欠佳和器件間的耦合效率低下,影響了有源器件性能和可靠性。

　　近20年來發展了許多選擇量子阱無序或稱之為量子阱混合(QWI)的新方法,目的在于量子阱一次生長(MOCVD-QW)后,獲得在同一外延晶片上橫向不同區域具有不同的帶隙、光吸收率、光折射率和載流子遷移率,達到橫向光子集成和光電子集成的目的,這樣就避免了多次生長和反復光刻的復雜工藝。

　　4 結語

　　半導體超晶格和量子阱材料是光電材料的最新發展,量子阱器件的優越性使得它活躍在各種生產和生活領域。目前,在光通信、激光器研制、紅外探測儀器等方面,量子阱器件都得到了廣泛的應用。隨之科學技術的不斷進步,我們相信,半導體超晶格和量子阱材料必然在更多領域發揮其獨特的作用。

　　參考文獻：

　　[1]陸衛，李寧，甄紅樓等.紅外光電子學中的新族—量子阱紅外探測器[J].中國科學，2009，39(3)：336～343.

　　杜鵬，周立慶.面向工程化應用的量子阱紅外探測材料制備研究[J].激光與紅外，2010，40(11)：1215～1219.

　　畢艷軍，郭志友，于敏麗等. P型GaMnAs/AlGaAs量子阱紅外探測器研究[J].激光與紅外，2008，38(8)：784～786.

　　譚智勇，郭旭光，曹俊誠等. 基于太赫茲量子阱探測器的太赫茲量子級聯激光器發射譜研究[J].物理學報，2010，59(4)：1000～3290.

　　工程師論文發表須知：《微電子學與計算機》雜志創辦于1972年，是2004版北大計算機核心期刊，我國微電子技術與計算機技術相結合的唯一專業性國家中文核心期刊，同時也是中國計算機學會會刊。《微電子學與計算機》報道國內外半導體集成電路和微型計算機的科研、技術成果。包括微電子技術在航天事業中的應用、微型計算機硬件結構設計與制造、微型計算機系統軟件及應用軟件、微型機應用、計算機輔助設計、半導體集成電路設計與制造工藝等方面。