量子阱器件的研究

秦慧嫻

【摘 要】 隨著半導體量子阱材料的發(fā)展，量子阱器件廣泛應用于各種領域。本文主要介紹了量子阱器件的歷史現(xiàn)狀，從兩個角度闡述了它的基本原理，并從量子阱材料、量子阱激光器、量子阱紅外探測器、量子阱在光通訊方面的應用等方面介紹量子阱理論在光電器件方面的發(fā)展及其應用。最后，闡述了量子阱器件未來的發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】 量子阱 光電子器件 MOCVD

1.基本原理

量子阱器件的基本結構是兩塊N 型 GaAs，中間夾一AlGaAs-GaAs-AlGaAs薄 層（如圖一）。在未加偏壓時，各個區(qū)域的勢能如圖二所示，從圖中可以看出， 與中間的GaAs 對應的區(qū)域形成了一個勢阱，故稱為量子阱。電子要從左邊的N 型 區(qū) （ 發(fā)射極 ） 進人右邊的N 型 區(qū)（ 集電極 ），必須穿透GaAl層進人量子阱，然后再穿透另一層AlGaAs[1]。

從經(jīng)典的觀點看來，當電子的能量小于兩個勢壘的高度時（如圖二），要穿透兩 個 AlGaAs層是不可能的。但從量子力學的觀點看來，由于隧道效應，電子有一定的概率穿透這兩個阻擋層。

2.應用

1 .量子阱紅外探測器[2]

量子阱紅外探測器（QWIP）是20世紀90年代發(fā)展起來的高新技術。與其他紅外技術相比，QWIP具有響應速度快、探測率與HgCdTe探測器相近、探測波長可通過量子阱參數(shù)加以調(diào)節(jié)等優(yōu)點。而且，利用MBE和MOCVD等先進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)的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程，實現(xiàn)對紅外輻射的探測。通過調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及AlGaAs中Al組分含量等參數(shù)，使量子阱子帶輸運的激發(fā)態(tài)被設計在阱內(nèi)（束縛態(tài)）、阱外（連續(xù)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為“能帶工程”是QWIP最關鍵的一步。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。

基于QWIP焦平面陣列研制出的成像系統(tǒng)，已經(jīng)被廣泛地應用于軍事、工業(yè)、消防等領域，其小型化、便捷化的特點受到了人們的青睞。

（1）軍事方面，QWIP在武器精確制導、戰(zhàn)場監(jiān)視與偵察、搜索和自動跟蹤、探測地雷等方面都有廣泛的應用。

（2）工業(yè)方面，QWIP可要用于各種設備的故障檢測和產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。例如高壓輸電線路故障的檢測十分困難，可以利用量子阱紅外探測器陣列制成的紅外相機，從直升機上對故障發(fā)生的位置進行準確定位。產(chǎn)品的無損探傷及質(zhì)量鑒定可以借助QWIP ，這主要是指金屬、非金屬材料及其加工部件。另外，在金屬焊接部件的質(zhì)量鑒定方面，無需對樣品進行解剖和取樣，就可以方便地查出材料或部件內(nèi)部的缺陷位置大小和嚴重程度。

（3）消防方面，視覺受限是火災中的主要問題，不論是森林大火，還是建筑物起火，濃厚的煙霧阻擋了消防人員的視線，這時可通過紅外相機，找到起火點，了解建筑物內(nèi)的情況，及時采取措施，減小財產(chǎn)損失，保障生命安全。

（4）醫(yī)療方面，由于人體病變組織的溫度和正常組織的會有所不同，通過QWIP可探測到它們之間的微小差別，這樣，可以輔助醫(yī)護人員了解病人的病變部位、發(fā)展情況和嚴重程度。

3.未來發(fā)展

以市場驅(qū)動來開展科技研究和以科技創(chuàng)新來占領市場， 這是發(fā)展光電子技術不可偏廢的兩面 。

從開展科學創(chuàng)新和技術創(chuàng)新而言 ， 形成自主知識產(chǎn)權， 除繼續(xù)開展低維量子阱光電子器件研究外， 應注意新材料系的探索， 如 GaN 藍、 紫光波段量子阱激光器的發(fā)展 ， 以滿足新一代超密 DVD的需求， 達到單層光盤 15GB 的存儲密度 ；如新型白光源的發(fā)展 ， 以實現(xiàn)節(jié)能 、 長壽型的白熾燈替代產(chǎn)品 ；如有機發(fā)光和激光材料研究 ， 以期得到低價、 大面積的面型光源。還要注意新原理的探索。如通過隧道注入提高量子效率的發(fā)光和激光器件研制。無閾值激光器 ， 紫外探測器 ， 光子集成和光電子集成等都有待進一步著力探索 。

就應用和市場目標而言 ， 應以光通信、 光存儲、 光顯示、 光互連、 光計算、 激光醫(yī)療以及節(jié)能光電子等為服務對象， 立項選題 。光電子農(nóng)業(yè)應用與光電子環(huán)保應用是未來應加強關注的選題。通過產(chǎn)、 學、 研結合， 以期研究成果不至于在發(fā)表文章或做出樣品后就束之高閣， 而是能為國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設做出貢獻。

我國量子阱光電子產(chǎn)業(yè)已成雛形 ， 正處于高斜率的上升階段 ， 以密集波分復用為代表的光通信應用， 以 DVD用 650 nm 紅光激光器和 GaN 蘭光激光器為代表的光存儲應用以及以紅 、 綠、 藍 LED為代表的全色光顯示和白光燈， 正預示著中國光電子產(chǎn)業(yè)的美好未來 。當然， 應該看到的是國外實力雄厚的公司也都在窺視著中國市場， 機遇十分難得， 競爭必然劇烈。

結 語

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。隨之科學技術的不斷進步，我們相信，量子阱材料必然在更多領域發(fā)揮其獨特的作用。

【參考文獻】

[1] 陳鳳至，黃正東. 量子阱器件的原理和應用.大學物理，1996，15（3）：40～42

[2] 陸衛(wèi)，李寧. 紅外光電子學中的新族——量子阱紅外探測器.中國科學，2009，39（3）：336～343