谈量子阱器件的发展及其应用.doc

谈量子阱器件的开展及其应用　　摘要：半导体量子阱材料的开展，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根本原理，然后重点介绍了量子阱器件的构造，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vd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除,价带间的吸收降低2量子阱器件根本原理2.1量子阱根本原理[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构造.以gaas／alas半导体超晶格的构造为例:在半绝缘gaas衬底上沿[001]方向外延生长500n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构造gaas的晶格常数为0.56351n,alas的晶格常数为0.56622n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,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途径怎样,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构造与相应的的周期势常其中a表示alas薄层厚度(势垒宽度),b表示薄层厚度(势阱宽度)假如势垒的宽度较大,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互相独立的,这就是多量子阱多量子阱的光学性质与单量子阱的一样,而强度那么是单量子阱的线性迭加另一方面,假如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,使得半导体微构造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根本构造是两块n型gaas附于两端,而中间有一个薄层,这个薄层的构造由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。

电子的运动途径是从左边的n型区(发射极)进入右边的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,而且随着制作程度的进步,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(qip)是20世纪90年代开展起来的高新技术与其他红外技术相比,qip具有响应速度快、探测率与hgdte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be和vd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,尤其是红外探测器受到了广泛关注qip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,量子阱构造设计又称为“能带工程〞是qip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qip的重要组成局部3.2量子阱在光通讯方面的应用光通信是现代通信的主要方式,光通讯的开展需要宽带宽、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,同时又要求它本钱低,可以大规模应用,为了到达这些目的,光子集成电路(pi’s)和光电子集成电路(ei’s)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屡次光刻,光栅技术、干湿法腐蚀技术、屡次选择外延生长vd或be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年来开展了许多项选择择量子阱无序或称之为量子阱混合(qi)的新方法,目的在于量子阱一次生长(vd-q)后,获得在同一外延晶片上横向不同区域具有不同的带隙、光吸收率、光折射率和载流子迁移率,到达横向光子集成和光电子集成的目的,这样就防止了屡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开展,量子阱器件的优越性使得它活泼在各种消费和生活领域目前,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，2022，39(3)：336～343．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，2022，40(11)：1215～1219．毕艳军，郭志友，于敏丽等.p型ganas/algaas量子阱红外探测器研究［j］．激光与红外，2022，38(8)：784～786．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，2022，59(4)：1000～3290．论文网：.lunenang.。