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量子阱器件的研究

秦慧娴
【摘 要】 随着半导体量子阱材料的发展，量子阱器件广泛应用于各种领域。本文主要介绍了量子阱器件的历史现状，从两个角度阐述了它的基本原理，并从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱红外探测器、量子阱在光通讯方面的应用等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。最后，阐述了量子阱器件未来的发展趋势。
【关键词】 量子阱 光电子器件 MOCVD
1.基本原理
量子阱器件的基本结构是两块N 型 GaAs，中间夹一AlGaAs-GaAs-AlGaAs薄 层（如图一）。在未加偏压时，各个区域的势能如图二所示，从图中可以看出， 与中间的GaAs 对应的区域形成了一个势阱，故称为量子阱。电子要从左边的N 型 区 （ 发射极 ） 进人右边的N 型 区（ 集电极 ），必须穿透GaAl层进人量子阱，然后再穿透另一层AlGaAs[1]。
从经典的观点看来，当电子的能量小于两个势垒的高度时（如图二），要穿透两 个 AlGaAs层是不可能的。但从量子力学的观点看来，由于隧道效应，电子有一定的概率穿透这两个阻挡层。
2.应用
1 .量子阱红外探测器[2]
量子阱红外探测器（QWIP）是20世纪90年代发展起来的高新技术。与其他红外技术相比，QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe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MBE和MOCVD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。
QWIP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，量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP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QWIP的重要组成部分。
基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统，已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域，其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。
（1）军事方面，QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。
（2）工業方面，QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。例如高压输电线路故障的检测十分困难，可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机，从直升机上对故障发生的位置进行准确定位。产品的无损探伤及质量鉴定可以借助QWIP ，这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。另外，在金属焊接部件的质量鉴定方面，无需对样品进行解剖和取样，就可以方便地查出材料或部件内部的缺陷位置大小和严重程度。
（3）消防方面，视觉受限是火灾中的主要问题，不论是森林大火，还是建筑物起火，浓厚的烟雾阻挡了消防人员的视线，这时可通过红外相机，找到起火点，了解建筑物内的情况，及时采取措施，减小财产损失，保障生命安全。
（4）医疗方面，由于人体病变组织的温度和正常组织的会有所不同，通过QWIP可探测到它们之间的微小差别，这样，可以辅助医护人员了解病人的病变部位、发展情况和严重程度。
3.未来发展
以市场驱动来开展科技研究和以科技创新来占领市场， 这是发展光电子技术不可偏废的两面 。
从开展科学创新和技术创新而言 ， 形成自主知识产权， 除继续开展低维量子阱光电子器件研究外， 应注意新材料系的探索， 如 GaN 蓝、 紫光波段量子阱激光器的发展 ， 以满足新一代超密 DVD的需求， 达到单层光盘 15GB 的存储密度 ；如新型白光源的发展 ， 以实现节能 、 长寿型的白炽灯替代产品 ；如有机发光和激光材料研究 ， 以期得到低价、 大面积的面型光源。还要注意新原理的探索。如通过隧道注入提高量子效率的发光和激光器件研制。无阈值激光器 ， 紫外探测器 ， 光子集成和光电子集成等都有待进一步着力探索 。
就应用和市场目标而言 ， 应以光通信、 光存储、 光显示、 光互连、 光计算、 激光医疗以及节能光电子等为服务对象， 立项选题 。光电子农业应用与光电子环保应用是未来应加强关注的选题。通过产、 学、 研结合， 以期研究成果不至于在发表文章或做出样品后就束之高阁， 而是能为国民经济发展和国防建设做出贡献。
我国量子阱光电子产业已成雏形 ， 正处于高斜率的上升阶段 ， 以密集波分复用为代表的光通信应用， 以 DVD用 650 nm 红光激光器和 GaN 兰光激光器为代表的光存储应用以及以红 、 绿、 蓝 LED为代表的全色光显示和白光灯， 正预示着中国光电子产业的美好未来 。当然， 应该看到的是国外实力雄厚的公司也都在窥视着中国市场， 机遇十分难得， 竞争必然剧烈。
结 语
量子阱材料是光电材料的最新发展，量子阱器件的优越性使得它活跃在各种生产和生活领域，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，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] 陈凤至，黄正东. 量子阱器件的原理和应用.大学物理，1996，15（3）：40～42
[2] 陆卫，李宁. 红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器.中国科学，2009，39（3）：336～343
大经贸2018年7期
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