量子阱原理及应用

光子学原理课程期末论文

——量子阱原理及其应用

信息科学与技术学院 08电子信息工程

杨晗 23120082203807

题目：量子阱原理及其应用

作者：杨晗 23120082203807

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

要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。

关键词：量子阱量子约束激光器

量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。

一量子阱最基本特征

由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态

和其他元激发过程以及它们之间

的相互作用，与三维体状材料中的

情况有很大差别。在具有二维自由

度的量子阱中，电子和空穴的态密

度与能量的关系为台阶形状。而不

是象三维体材料那样的抛物线形

状[1]。

图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代

表两种材料的原子

.

量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在

两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。

比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材

料可以通过MBE （分子束外延）或者CVD （化学

气相沉积）的方法来制备。就像三明治一样的

结构，中间是很薄的一层半导体膜，外侧是两

个隔离层。用激光朝量子阱闪一下，可以使中

间的半导体层里产生电子和带正电的空穴。通

常情况下，电子会与空穴结合，放出光子。科

学家将量子阱的上层制造得特别薄，厚度不足

30埃，这样就可迫使中间层产生的电子与空穴

结合时，以变化的电场而不是光子的形式释放

能量。电场的作用使邻近的量子点中产生新的

电子和空穴，从而令它们结合并放出光子.

对多量子阱，若势垒壁厚LB 仍为无限大（实际上只需大于20nm ）,势垒足够高（△Ec>0.5Ev ）,

其电子的状态有如单量子阱中的电子，相邻量子阱中的电子的波函数不会发生重叠。但若势垒壁逐渐变薄，则相邻量子阱中电子的波函数就会因隧穿效应而逐渐有所交叠，并使简并能级分裂成带[2]，如图所示：

图 3势垒高度有限的多量子阱和超晶格中电子的波函数

二 量子阱效应与超晶格效应

对具有势阱结构或者超晶格结构的人工合成材料，当其中窄禁带材料的厚度小于载流子的平均自由程时，其电子特性会发生某些变化，甚至会出现一些非此结构不会出现的特殊物理现象。这些跟势阱的形成以及尺寸有关的效应即被称为量子阱效应或超晶格效应。主要的量子阱效应和超晶格效应是量子约束效应，如前所述，对于由两层宽禁带材料和夹在其间的窄禁带材料薄层构成的量子阱，当窄禁带薄层的厚度小于电子平均自由程时，电子在薄层法线方向上的运动将受到限制，只能在薄层平面内自由运动。与体材料中的电子相比，这种运动史一种二维运动，至少是准二维运动。受约束的电子运动状态的这一重大变化的突出表现是其能量的量子化，即原本在三维材料某一范围内（例如导带）连续发布的能量状态，在二维薄层内变为一系列分立能级，这就是量子约束效应。而且只有足够窄的量子阱中才会出现量子约束效应，因此，

量子约束效应又称为量子尺寸效应。

图 2量子阱中电子和空穴的态密度

与能量的关系示意图

三量子阱激光器

利用量子约束效应在半导体激光器的有源深层中形成量子能级，用这些量子能级间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。人们在量子约束效应发现后不久就观察到量子阱中的光学泵浦作用，并于20世纪70年代末开发出量子阱激光器。所以，半导体激光器是量子阱和超晶格技术的最早受益者之一。异质结的采用使半导体激光器的性能获得了一次飞跃性的改善，但一般的双异质结（DH）激光器的有源层还比较厚，大都在100nm以上，不足以在其中形成量子能级。因此，最基本的量子阱激光器就是把一般DH激光器的有源层厚度减薄到足以形成量子能级的数十纳米左右，使有源层成为一个单量子阱,如图所示，但是，有源层减薄往往引起激光器性能在阈值电流方面的劣化。

图 4能带结构示意图

在半导体激光器阈值增益中计入光学限制因子，其表达式变为

式中，a为损耗系数，R为反射率，l为共振腔的长度。在这些参数中，会随着

激光器有源层的减薄而明显下降，从而使激光器的阈值增益升高，阈值电流密度增大。为了克服有源层减薄带来的这种负面影响，可进一步将有源层做成多量子阱结构，如图4（b）。多量子阱结构保持了量子约束效应而等效的展宽了有源

层，从而使增大了。但是，为了从量子阱中引出较高的光学增益，如果不降低

有源层中多量子阱的势垒高度，就需要增大电流的注入。这样，就必然有部分载流子分布在量子阱的高次量子能级上，进而引起增益谱的展宽和阈值电流的增大。适当降低有源层中多量子阱的势垒高度，可以提高电流的注入效率，从而将注入电流控制在适当的大小[3]。