半導體量子電子和光電子器件分析

鄭 偉

（吉林大學電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學實驗區，吉林 長春 130012）

半導體量子電子和光電子器件分析

鄭 偉

（吉林大學電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學實驗區，吉林 長春 130012）

文章主要闡述了半導體異質結構電子的量子特性，對半導體量子電子和光電子器件進行科學的分析，其中，對電子波輸運狀況、庫侖阻塞效應等作出了一定分析基礎上，介紹了幾種較為新穎的、具有代表性的量子電子器件和量子光電子器件的物理模型，并對半導體量子電子和光電子器件運行的基本原理作出了科學的理解。

半導體；量子電子；光電子器件

半導體量子電子和光電子器件，作為近年來我國器件研制環節的前沿產品，加強對其分析與研究具有理論與實踐的必要性和重要性。當今社會，半導體量子電子和光電子的迅速發展，在一定程度上是由信息技術等的廣泛應用以及相關需求的不斷擴大帶動的；此外，隨著材料制備技術的新發展，半導體量子電子和光電子器件也取得了新的發展機遇。由于半導體量子電子和光電子技術作為推動信息社會發展的重要支柱力量，加強對其分析與研究符合時代發展的需求。

1 量子器件時代發展的新機遇

在開展半導體量子電子和光電子器件分析環節中，結合Moore定律研究發現，在過去的40多年時間內，表征存儲技術的芯片集成度實現了兩年一翻的發展速度。同時，相關工作人員依據具體的實驗研究，表明當體系的對應尺度實現電子波長度一致時，就會產生量子效應。量子器件時代發展環節，在納米量級的晶體管就會出現一些新現象分析，其中，電子干涉與無磁場下的附件平行電導就會出現較大的變化。此外，電導振蕩周期的相關變化也出現了較大的變化，其中，共振隧穿二極管以及量子阱紅外測量器等都是基于量子力學的框架基礎上開展的相關討論。

對于半導體量子電子和光電子器件分析環節，納米精度上的材料制備以及相關器件，同樣，線路制作是制約器件發展的決定因素。半導體量子電子和光電子器件在過去發展的幾年時間，分子束外延技術（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金屬有機化學氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）同樣被廣泛地應用于半導體相關的微結構制作。在制作體系建設環節，實際可控制特征尺寸的相關要求，已經達到了精確度要求對生長方向上單個原子層的相關規定。在滿足相關規定的基礎上，這些相關材料的制作技術的成熟與完善，為復雜的微觀結構和常規結構的部分器件制作提供了一定的環境基礎。

2 關于異質結構中的電子分析

在實施半導體量子電子和光電子器件分析過程中，首先需要考慮晶體的基本特征。晶體的基本特征主要表現為平移對稱性，其特性在電子學以及光電子學領域也具有表現的特殊性。電子學和光電子學所涉及的半導體機構一般為金剛石結構以及閃鋅礦結構，而金剛石結構和閃鋅礦結構的光電性質則由其晶體結構決定。異質結構作為量子器件的一項基本機構，其組成也具有自身的特殊性，異質結構一般由兩種晶格結構相似的材料組成，但是，必須要注意強調相似結構材料的異質性和不同構成。兩種晶體結構的組成材料十分廣泛，但是在一般情況下，異質結構的構成材料必須實現與晶格常數之間實現匹配，此外，異質結構還必須滿足二元晶體或者滿足三元晶體的材料要求，才能實現最理想的異制結構。在對半導體量子電子和光電子器件分析環節，實現有效質量理論來處理異質結構的問題，則主要是將異質結構看作是一個附屬物，實現附加在一個均一的半導體上，并在這個附屬環節，實現異質結構問題的解決。此外，量子器件一般會涉及不同維度的電子體系問題，而不同維度的電子體系之間存在的不同光學性質來源于電子體系的體態密度，為此，實現半導體量子電子和光電子器件分析的基礎上，要將電子體系態密度和維度之間的關系進行分析。在分析基礎上，得出態密度是單位體積，且主要是在能量附近單位能量之間隔離的電子態數，態密度的每一位量子態都可以通過向上旋轉或向下旋轉的不同性質的兩個電子占據。

3 對量子電子器件的分析

開展半導體量子電子和光電子器件分析環節，還需將量子電子器件的分析作為分析的著力點。其中，共振隧穿二級管（Resonant Tunneling Diodes，RTD）作為數字電路中最有發展潛力的一種納米電子器件。RTD基本結構的構成是由兩層禁帶寬度大的半導體中間夾，半導體中間夾以禁帶寬度小的半導體組合形成了雙勢壘，雙勢壘兩端再用重復摻雜材料，并相互之間互相作用形成了電接觸。關于對隧穿二極管的含義理解，可以從隧穿二極管的最初概念理解出發。隧穿二極管在研究最初，隧穿主要是指電子在導帶和價帶之間的相互作用，并通過帶之間形成的躍遷。隨著隧穿二極管概念發展到今天，其主要是由隧穿的勢壘層即由異質的結的導帶以及價帶之間的不連續性構成的。經過專業人員的研究表明，許多新的量子器件的主要特性表現為電子通過異質結構形成的隧穿。當前的量子器件主要分為兩類，其中一類屬于三電極，其主要代表是研究電熱子隧穿晶體管。電熱子隧穿晶體管把異質結構的壘，作為將熱電子在較短的時間內快速注入比較窄的基極路徑。其在工作環節，一般情況下形成的基級散射率比較小，其形成的散射率在工作狀態下，電子就會形成相當高的工作效率，并最終形成工作效率較高的集電極。其中第二類主要是兩電極的器件組成的，兩電極中共振隧穿，主要包括超晶格的機構以及雙壘量子阱兩個為主要代表。超晶格的機構和雙壘量子阱，都具有較強的負極電導，其中的負電導，除了在微波領域方面得到廣泛應用，還廣泛地應用于數字以及光學器件中。

4 對量子光電子器件的分析

關于半導體量子電子和光電子器件分析環節，還需要對量子光電子器件進行科學的分析。首先，需要對量子阱紅外探測器（Quantum Well Infrared Detectors，QWIP）作出實驗探索，量子的紅外探測器是指，一種把紅外輻射變為電子信號的相關轉換器，紅外探測器可以分為熱探測器和光子探測器兩種類別。熱探測器主要是根據入射輻射的熱效應引起的器件，熱探測器與溫度有關的參數變化值密切相關，并根據其參數的變化值來進行相關的探測活動。關于量子阱紅外探測器的相關研究，早在1988 年的貝爾試驗，就進行了專業的報告研究。在研究報告中顯示，HgCdTe為代表的窄禁帶半導體探測器不同，量子阱探測器表現出其自身的特性。而寬禁帶的半導體材料由于量子限制效應，其主要在導帶和價帶中形成相關的大量自能級。關于紅外輻射響應的就是這些子能級別相互之間的躍遷。與HgCdTe不同的是，QWIP的優點主要表現為其材料的特性。QWIP的材料更具有均勻性，尤其是其器件的制作工藝比較成熟，在逐漸成熟和發展完善環節，其抗輻射能力強，且成本較低，都是其在發展環節體現的主要優勢。其中，量子阱機關器則表現為其閾值的電流較小、線寬窄以及功率高等優點。

5 結語

近年來，量子器件已經成為引領器件研制前沿的重要領域，其前沿領域地位的獲取與信息技術的迅速發展密切相關。當前，科學技術及其信息技術的迅速發展，以及其應用范圍的不斷擴大，材料制備技術發展也獲得了新的發展機遇。在這一環節，對性價比高、運轉高速度、可靠性能高的器件追求，成為器件實現高度集成化的一項重要表現。同時，實現器件的高度集成化，當前已經成為計算機工業發展的核心問題。在實現器件時代發展的同時，線路中集成的器件總量也呈現出遞增趨勢，單個器件的維度已經實現了納米量級的追求目標。在理性對待量子器件發展的時代前景時，還需要正視量子器件的未來發展，為更好地適應多媒體技術發展需求對芯片尺寸的更小要求。

[1]曹曼.核心電子器件研究趨勢可視化分析—以光電子器件為例[J].無線互聯科技，2013（10）：102-104.

[2]曹則賢.光電子器件：中國科學家談科學[J].科學觀察，2008（2）：38.

[3]夏建白.半導體微結構物理效應及其應用講座第2講：量子阱、超晶格物理及其在光電子領域中的應用[J].物理，2004（9）：684-691.

Analysis on the semiconductor quantum electronic and optoelectronic devices

Zheng Wei
（Electronic Science and Engineering College of Jilin University, State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Jilin University Experimental Zone, Changchun 130012, China）

This paper mainly expounds the quantum characteristics of semiconductor heterogeneous structure electrons, and makes a scientific analysis of semiconductor quantum electron and optoelectronic devices. On the basis of certain analysis of electronic wave transport status and Coulomb blocking effect, this paper introduces several new and representative physical models of quantum electronic devices and quantum optoelectronic devices, as well as the scienti fi c understanding of the basic principles of the operation of semiconductor quantum electrons and optoelectronic devices.

semiconductors; Quantum electronics; optoelectronic devices

鄭偉（1966— ），男，吉林長春，高級工程師；研究方向：光電子工藝和器件。