摘  要：半導體量子阱材料的發(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構，最后總結了量子阱的各個(gè)應用領(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的光電子器件，材料生長(cháng)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具有準二維特性和量子尺寸效應。二維電子空穴的態(tài)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(zhù)量子化第一子能級，增益譜半寬大為降低、且價(jià)帶上輕重空穴的簡(jiǎn)并被解除，價(jià)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(cháng)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(cháng)500nm左右的GaAs薄層，而交替生長(cháng)厚度為幾埃至幾百埃的AlAs薄層。這兩者共同構成了一個(gè)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A(yíng)lAs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(huà)說(shuō)，由于GaAs的禁帶寬度小于A(yíng)lAs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(zhù)載流子，無(wú)論處在其中的載流子的運動(dòng)路徑怎樣，都必須越過(guò)一個(gè)勢壘，由于GaAs層厚度為量子尺度，我們將這種勢阱稱(chēng)為量子阱。

　　當GaAs和AlAs沿Z方向交替生長(cháng)時(shí)，圖2描繪了超晶格多層薄膜結構與相應的的周期勢場(chǎng)。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(gè)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(xué)性質(zhì)與單量子阱的相同，而強度則是單量子阱的線(xiàn)性迭加。另一方面，如果兩個(gè)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(chēng)之為子能帶。而兩個(gè)相鄰的子能帶

　　之間又存在能隙，稱(chēng)為子能隙。通過(guò)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(guān)性質(zhì)。

　　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(gè)薄層，這個(gè)薄層的結構由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的復合形式組成，。

　　在未加偏壓時(shí)，各個(gè)區域的勢能與中間的GaAs對應的區域形成了一個(gè)勢阱，故稱(chēng)為量子阱。電子的運動(dòng)路徑是從左邊的N型區（發(fā)射極）進(jìn)入右邊的N型區（集電極），中間必須通過(guò)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)域獲得了應用，而且隨著(zhù)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年代發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)。與其他紅外技術(shù)相比，QWIP具有響應速度快、探測率與HgCdTe探測器相近、探測波長(cháng)可通過(guò)量子阱參數加以調節等優(yōu)點(diǎn)。而且，利用MBE和MOCVD等先進(jìn)工藝可生長(cháng)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(guò)電場(chǎng)作用形成光電流這一物理過(guò)程，實(shí)現對紅外輻射的探測。通過(guò)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(fā)態(tài)被設計在阱內（束縛態(tài)）、阱外（連續態(tài)）或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂（準束縛態(tài)），以便滿(mǎn)足不同的探測需要，獲得最優(yōu)化的探測靈敏度。因此，量子阱結構設計又稱(chēng)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用

　　光通信是現代通信的主要方式，光通訊的發(fā)展需要寬帶寬、高速、大容量的光發(fā)射機和光接收機，這些儀器不僅要求其體積小，質(zhì)量高，同時(shí)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(kāi)發(fā)出來(lái)。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(cháng)MOCVD或MBE等復雜工藝，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(lái)發(fā)展了許多選擇量子阱無(wú)序或稱(chēng)之為量子阱混合（QWI）的新方法，目的在于量子阱一次生長(cháng)（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(cháng)和反復光刻的復雜工藝。

　　4 結語(yǔ)

　　半導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用。隨之科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們相信，半導體超晶格和量子阱材料必然在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨特的作用。

　　參考文獻：

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