量子阱原理及應(yīng)用

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1、楊晗23120082203807光子學(xué)原理課程期末論文——量子阱原理及其應(yīng)用信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院08電子信息工程楊晗23120082203807~6~楊晗23120082203807題目：量子阱原理及其應(yīng)用作者：楊晗23120082203807摘要：隨著半導(dǎo)體量子阱材料的發(fā)展,量子阱器件廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域.本文主要介紹量子阱的基本特征,重點(diǎn)從量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介紹量子阱理論在光電器件方面的發(fā)展及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞：量子阱量子約束激光器量子阱是指由2種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)

2、阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱寬度(只有當(dāng)阱寬尺度足夠小時(shí)才能形成量子阱)的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長(zhǎng)形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢(shì)壘層足夠厚，以致相鄰勢(shì)阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱，簡(jiǎn)單來說，就是由多個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)為多量子阱，簡(jiǎn)稱為MQW（MultipleQuantumWell），而由一個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)為單量子阱，簡(jiǎn)稱為SQW（SingleQuantumWell）。一量子阱最基本特征由于量子阱寬度(只有當(dāng)阱寬尺度足夠小時(shí)才

3、能形成量子阱)的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長(zhǎng)形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢(shì)壘層足夠厚，以致相鄰勢(shì)阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱。如果勢(shì)壘層很薄，相鄰阱之間的耦合很強(qiáng)，原來在各量子阱中分立的能級(jí)將擴(kuò)展成能帶(微帶)，能帶的寬度和位置與勢(shì)阱的深度、寬度及勢(shì)壘的厚度有關(guān)，這樣的多層結(jié)構(gòu)稱為超晶格。圖1半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)，白圈和灰圈代表兩種材料的原子有超晶格特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有時(shí)稱為耦合的多量子阱。量子肼中的電子態(tài)、聲子態(tài)和其他元激發(fā)過程以及它們之間的相互作用

4、，與三維體狀材料中的情況有很大差別。在具有二維自由度的量子阱中，電子和空穴的態(tài)密度與能量的關(guān)系為臺(tái)階形狀。而不是象三維體材料那樣的拋物線形狀[1]。~6~楊晗23120082203807圖2量子阱中電子和空穴的態(tài)密度與能量的關(guān)系示意圖.量子阱的制備通常是通過將一種材料夾在兩種材料（通常是寬禁帶材料）之間而形成的。比如兩層砷化鋁之間夾著砷化鎵。一般這種材料可以通過MBE（分子束外延）或者CVD（化學(xué)氣相沉積）的方法來制備。就像三明治一樣的結(jié)構(gòu)，中間是很薄的一層半導(dǎo)體膜，外側(cè)是兩個(gè)隔離層。用激光朝量子阱閃一下，可以使中間的半導(dǎo)體層里產(chǎn)生電子和

5、帶正電的空穴。通常情況下，電子會(huì)與空穴結(jié)合，放出光子?？茖W(xué)家將量子阱的上層制造得特別薄，厚度不足30埃，這樣就可迫使中間層產(chǎn)生的電子與空穴結(jié)合時(shí)，以變化的電場(chǎng)而不是光子的形式釋放能量。電場(chǎng)的作用使鄰近的量子點(diǎn)中產(chǎn)生新的電子和空穴，從而令它們結(jié)合并放出光子.對(duì)多量子阱，若勢(shì)壘壁厚LB仍為無限大（實(shí)際上只需大于20nm）,勢(shì)壘足夠高（△Ec>0.5Ev）,其電子的狀態(tài)有如單量子阱中的電子，相鄰量子阱中的電子的波函數(shù)不會(huì)發(fā)生重疊。但若勢(shì)壘壁逐漸變薄，則相鄰量子阱中電子的波函數(shù)就會(huì)因隧穿效應(yīng)而逐漸有所交疊，并使簡(jiǎn)并能級(jí)分裂成帶[2]，如圖所示：圖

6、3勢(shì)壘高度有限的多量子阱和超晶格中電子的波函數(shù)二量子阱效應(yīng)與超晶格效應(yīng)對(duì)具有勢(shì)阱結(jié)構(gòu)或者超晶格結(jié)構(gòu)的人工合成材料，當(dāng)其中窄禁帶材料的厚度小于載流子的平均自由程時(shí)，其電子特性會(huì)發(fā)生某些變化，甚至?xí)霈F(xiàn)一些非此結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)的特殊物理現(xiàn)象。這些跟勢(shì)阱的形成以及尺寸有關(guān)的效應(yīng)即被稱為量子阱效應(yīng)或超晶格效應(yīng)。主要的量子阱效應(yīng)和超晶格效應(yīng)是量子約束效應(yīng)，如前所述，對(duì)于由兩層寬禁帶材料和夾在其間的窄禁帶材料薄層構(gòu)成的量子阱，當(dāng)窄禁帶薄層的厚度小于電子平均自由程時(shí)，電子在薄層法線方向上的運(yùn)動(dòng)將受到限制，只能在薄層平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。與體材料中的電子相比，這種

7、運(yùn)動(dòng)史一種二維運(yùn)動(dòng)，至少是準(zhǔn)二維運(yùn)動(dòng)。受約束的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的這一重大變化的突出表現(xiàn)是其能量的量子化，即原本在三維材料某一范圍內(nèi)（例如導(dǎo)帶）連續(xù)發(fā)布的能量狀態(tài)，在二維薄層內(nèi)變?yōu)橐幌盗蟹至⒛芗?jí)，這就是量子約束效應(yīng)。而且只有足夠窄的量子阱中才會(huì)出現(xiàn)量子約束效應(yīng)，因此，量子約束效應(yīng)又稱為量子尺寸效應(yīng)。~6~楊晗23120082203807三量子阱激光器利用量子約束效應(yīng)在半導(dǎo)體激光器的有源深層中形成量子能級(jí)，用這些量子能級(jí)間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。人們?cè)诹孔蛹s束效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久就觀察到量子阱中的光學(xué)泵浦作用，并于20世紀(jì)7

8、0年代末開發(fā)出量子阱激光器。所以，半導(dǎo)體激光器是量子阱和超晶格技術(shù)的最早受益者之一。異質(zhì)結(jié)的采用使半導(dǎo)體激光器的性能獲得了一次飛躍性的改善，但一般的雙異質(zhì)結(jié)（DH）激光器的有源層還比較厚，大都