1、浅谈量子阱器件的发展及其应用摘 要：半导体量子阱材料的发展，极大地拓宽了光电材料的范围，而量子阱材料本身也被广泛应用于制作各种光电器件。本文首先介绍了量子阱的基本原理，然后重点介绍了量子阱器件的结构，最后总结了量子阱的各个应用领域。 关键词：量子阱；器件；红外探测器；激光器； 1 引言 量子阱器件,即指采用量子阱材料作为有源区的光电子器件,材料生长一般是采用 MOCVD 外廷技术。这种器件的特点就在于它的量子阱有源区具有准二维特性和量子尺寸效应。二维电子空穴的态密度是台阶状分布,量子尺寸效应决定了电子空穴不再连续分布而是集中占据着量子化第一子能级,增益谱半宽大为降低、且价带上轻重空穴的简并被解
2、除,价带间的吸收降低。 2 量子阱器件基本原理 2.1 量子阱基本原理1 半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构.以 GaAsAlAs 半导体超晶格的结构为例:在半绝缘 GaAs 衬底上沿001方向外延生长 500nm 左右的 GaAs 薄层,而交替生长厚度为几埃至几百埃的 AlAs 薄层。这两者共同构成了一个多层薄膜结构。GaAs 的晶格常数为 0.56351nm,AlAs 的晶格常数为 0.56622nm。由于 AlAs 的禁带宽度比 GaAs 的大,AlAs 层中的电子和空穴将进入两边的 GaAs 层， “落入”GaAs 材料的导带底,只要 GaAs 层不是太薄
3、,电子将被约束在导带底部,且被阱壁不断反射。换句话说,由于 GaAs 的禁带宽度小于 AlAs 的禁带宽度,只要 GaAs 层厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”着载流子,无论处在其中的载流子的运动路径怎样,都必须越过一个势垒,由于 GaAs 层厚度为量子尺度,我们将这种势阱称为量子阱. 当 GaAs 和 AlAs 沿 Z 方向交替生长时,图 2 描绘了超晶格多层薄膜结构与相应的的周期势场。其中 a 表示 AlAs 薄层厚度(势垒宽度),b 表示薄层厚度(势阱宽度)。如果势垒的宽度较大,使得两个相邻势阱中的电子波函数互不重叠,那么就此形成的量子阱将是相互独立的,这就是多量子阱。多量子阱
4、的光学性质与单量子阱的相同,而强度则是单量子阱的线性迭加。另一方面,如果两个相邻的量子阱间距很近,那么其中的电子态将发生耦合,能级将分裂成带,并称之为子能带。而两个相邻的子能带 之间又存在能隙,称为子能隙。通过人为控制这些子能隙的宽度与子能带,使得半导体微结构表现出多种多样的宏观性质。 2.2 量子阱器件 量子阱器件的基本结构是两块 N 型 GaAs 附于两端,而中间有一个薄层,这个薄层的结构由 AlGaAs-GaAs-AlGaAs 的复合形式组成,。 在未加偏压时,各个区域的势能与中间的 GaAs 对应的区域形成了一个势阱,故称为量子阱。电子的运动路径是从左边的 N 型区(发射极)进入右边的
5、 N 型区(集电极),中间必须通过 AlGaAs 层进入量子阱,然后再穿透另一层 AlGaAs。 量子阱器件虽然是新近研制成功的器件,但已在很多领域获得了应用,而且随着制作水平的提高,它将获得更加广泛的应用。 3 量子阱器件的应用 3.1 量子阱红外探测器 量子阱红外探测器(QWIP)是 20 世纪 90 年代发展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP 具有响应速度快、探测率与 HgCdTe 探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用 MBE 和MOCVD 等先进工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料,容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此,量子阱光探测器,尤其
6、是红外探测器受到了广泛关注。 QWIP 是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁,并将从基态激发到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及 AlGaAs 中 Al 组分含量等参数,使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内(束缚态)、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP 最关键的一步。另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是 QWIP 的重要组成部分。 3.2 量子阱在光通讯方面的应用 光通信是现代通信的主
7、要方式,光通讯的发展需要宽带宽、高速、大容量的光发射机和光接收机,这些仪器不仅要求其体积小,质量高,同时又要求它成本低,能够大规模应用,为了达到这些目的,光子集成电路(PICS)和光电子集成电路(OEICS)被开发出来。但是,通常光子集成电路和光电子集成电路是采用多次光刻,光栅技术、干湿法腐蚀技术、多次选择外延生长 MOCVD 或 MBE 等复杂工艺,从而可能使衔接部位晶体质量欠佳和器件间的耦合效率低下,影响了有源器件性能和可靠性。 近 20 年来发展了许多选择量子阱无序或称之为量子阱混合(QWI)的新方法,目的在于量子阱一次生长(MOCVD-QW)后,获得在同一外延晶片上横向不同区域具有不同
8、的带隙、光吸收率、光折射率和载流子迁移率,达到横向光子集成和光电子集成的目的,这样就避免了多次生长和反复光刻的复杂工艺。 4 结语 半导体超晶格和量子阱材料是光电材料的最新发展,量子阱器件的优越性使得它活跃在各种生产和生活领域。目前,在光通信、激光器研制、红外探测仪器等方面,量子阱器件都得到了广泛的应用。随之科学技术的不断进步,我们相信,半导体超晶格和量子阱材料必然在更多领域发挥其独特的作用。 参考文献： 1陆卫，李宁，甄红楼等红外光电子学中的新族量子阱红外探测器J 中国科学，2009，39(3)：336343 杜鹏，周立庆面向工程化应用的量子阱红外探测材料制备研究J 激光与红外，2010，40(11)：12151219 毕艳军，郭志友，于敏丽等. P 型 GaMnAs/AlGaAs 量子阱红外探测器研究J 激光与红外，2008，38(8)：784786 谭智勇，郭旭光，曹俊诚等. 基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究J 物理学报，2010，59(4)：10003290
