量子阱器件是先進(jìn)的電子部件，在通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文首先介紹了量子阱器件的工作原理，隨后對(duì)量子阱器件的應(yīng)用進(jìn)行探討。

　　《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》國(guó)家級(jí)電子技術(shù)期刊，堅(jiān)持為社會(huì)主義服務(wù)的方向，堅(jiān)持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅(jiān)持實(shí)事求是、理論與實(shí)際相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，傳播先進(jìn)的科學(xué)文化知識(shí)，弘揚(yáng)民族優(yōu)秀科學(xué)文化，促進(jìn)國(guó)際科學(xué)文化交流，探索防災(zāi)科技教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，為教學(xué)與科研服務(wù)。

　　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(zhǎng)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(tái)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(jí),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(dǎo)體超晶格是指由交替生長(zhǎng)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(zhǎng)500nm左右的GaAs薄層,而交替生長(zhǎng)厚度為幾埃至幾百埃的AlAs薄層。這兩者共同構(gòu)成了一個(gè)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(shuō),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(wú)論處在其中的載流子的運(yùn)動(dòng)路徑怎樣,都必須越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘,由于GaAs層厚度為量子尺度,我們將這種勢(shì)阱稱為量子阱.

　　當(dāng)GaAs和AlAs沿Z方向交替生長(zhǎng)時(shí),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(shì)場(chǎng)。其中a表示AlAs薄層厚度(勢(shì)壘寬度),b表示薄層厚度(勢(shì)阱寬度)。如果勢(shì)壘的寬度較大,使得兩個(gè)相鄰勢(shì)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(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(jí)將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個(gè)相鄰的子能帶

　　之間又存在能隙,稱為子能隙。通過(guò)人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導(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(gè)薄層,這個(gè)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(shí),各個(gè)區(qū)域的勢(shì)能與中間的GaAs對(duì)應(yīng)的區(qū)域形成了一個(gè)勢(shì)阱,故稱為量子阱。電子的運(yùn)動(dòng)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(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(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(cè)器

　　量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)是20世紀(jì)90年展起來(lái)的高新技術(shù)。與其他紅外技術(shù)相比,QWIP具有響應(yīng)速度快、探測(cè)率與HgCdTe探測(cè)器相近、探測(cè)波長(zhǎng)可通過(guò)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(zhǎng)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(cè)器陣列。正因?yàn)槿绱?量子阱光探測(cè)器,尤其是紅外探測(cè)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(guò)電場(chǎng)作用形成光電流這一物理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的探測(cè)。通過(guò)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(jì)在阱內(nèi)(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢(shì)壘的邊緣或者稍低于勢(shì)壘頂(準(zhǔn)束縛態(tài)),以便滿足不同的探測(cè)需要,獲得最優(yōu)化的探測(cè)靈敏度。因此,量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又稱為“能帶工程”是QWIP最關(guān)鍵的一步。另外,由于探測(cè)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(shí)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(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(zhǎng)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(lái)發(fā)展了許多選擇量子阱無(wú)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(zhǎng)(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(zhǎng)和反復(fù)光刻的復(fù)雜工藝。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　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(cè)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。