摘  要：半導(dǎo)體量子阱材料的發(fā)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(yīng)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(diǎn)介紹了量子阱器件的結(jié)構(gòu)，最后總結(jié)了量子阱的各個應(yīng)用領(lǐng)域。

　　關(guān)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(qū)的光電子器件，材料生長一般是采用MOCVD外廷技術(shù)。這種器件的特點(diǎn)就在于它的量子阱有源區(qū)具有準(zhǔn)二維特性和量子尺寸效應(yīng)。二維電子空穴的態(tài)密度是臺階狀分布，量子尺寸效應(yīng)決定了電子空穴不再連續(xù)分布而是集中占據(jù)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(dǎo)體超晶格是指由交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)。以GaAs／AlAs半導(dǎo)體超晶格的結(jié)構(gòu)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(gòu)成了一個多層薄膜結(jié)構(gòu)。GaAs的晶格常數(shù)為0.56351nm，AlAs的晶格常數(shù)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(jìn)入兩邊的GaAs層，“落入”GaAs材料的導(dǎo)帶底，只要GaAs層不是太薄，電子將被約束在導(dǎo)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(yùn)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(dāng)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(jié)構(gòu)與相應(yīng)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(shù)互不重疊，那么就此形成的量子阱將是相互獨(dú)立的，這就是多量子阱。多量子阱的光學(xué)性質(zhì)與單量子阱的相同，而強(qiáng)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(tài)將發(fā)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(dǎo)體微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多種多樣的宏觀性質(zhì)。

　　2.2 量子阱器件

　　量子阱器件的基本結(jié)構(gòu)是兩塊N型GaAs附于兩端，而中間有一個薄層，這個薄層的結(jié)構(gòu)由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的復(fù)合形式組成，。

　　在未加偏壓時，各個區(qū)域的勢能與中間的GaAs對應(yīng)的區(qū)域形成了一個勢阱，故稱為量子阱。電子的運(yùn)動路徑是從左邊的N型區(qū)（發(fā)射極）進(jìn)入右邊的N型區(qū)（集電極），中間必須通過AlGaAs層進(jìn)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(lǐng)域獲得了應(yīng)用，而且隨著制作水平的提高，它將獲得更加廣泛的應(yīng)用。

　　3 量子阱器件的應(yīng)用

　　3.1 量子阱紅外探測器

　　量子阱紅外探測器（QWIP）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高新技術(shù)。與其他紅外技術(shù)相比，QWIP具有響應(yīng)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(shù)加以調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。而且，利用MBE和MOCVD等先進(jìn)工藝可生長出高品質(zhì)、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(guān)注。

　　QWIP是利用摻雜量子阱的導(dǎo)帶中形成的子帶間躍遷，并將從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程，實現(xiàn)對紅外輻射的探測。通過調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及AlGaAs中Al組分含量等參數(shù)，使量子阱子帶輸運(yùn)的激發(fā)態(tài)被設(shè)計在阱內(nèi)（束縛態(tài)）、阱外（連續(xù)態(tài)）或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂（準(zhǔn)束縛態(tài)），以便滿足不同的探測需要，獲得最優(yōu)化的探測靈敏度。因此，量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計又稱為“能帶工程”是QWIP最關(guān)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(yīng)用

　　光通信是現(xiàn)代通信的主要方式，光通訊的發(fā)展需要寬帶寬、高速、大容量的光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，這些儀器不僅要求其體積小，質(zhì)量高，同時又要求它成本低，能夠大規(guī)模應(yīng)用，為了達(dá)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(fā)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(shù)、干濕法腐蝕技術(shù)、多次選擇外延生長MOCVD或MBE等復(fù)雜工藝，從而可能使銜接部位晶體質(zhì)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(fā)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(qū)域具有不同的帶隙、光吸收率、光折射率和載流子遷移率，達(dá)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(fù)光刻的復(fù)雜工藝。

　　4 結(jié)語

　　半導(dǎo)體超晶格和量子阱材料是光電材料的最新發(fā)展，量子阱器件的優(yōu)越性使得它活躍在各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)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(yīng)用。隨之科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們相信，半導(dǎo)體超晶格和量子阱材料必然在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

　　參考文獻(xiàn)：

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