發(fā)布時(shí)間：2014-07-30 08:57

       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(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，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(dòng)路徑怎樣，都必須越過一個(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。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，筆耕論文新浪博客，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(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(cè)率與HgCdTe探測(cè)器相近、探測(cè)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(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)的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的探測(cè)。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(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。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。

本文編號(hào)：6470