量子阱的应用

3量子阱器件的应用3.1量子阱红外探测器量子阱红外探测器(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)工业方面,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。3.2基于量子阱材料的激光器半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术(MBE,MOCVD)的新一代人工构造材料,同时也是新一代固态量子器件的基础材料。它使得光电子和微电子器件的设计思想从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”,同时也促成了“电学和光学特性可剪裁材料”这一新范畴的诞生。这种材料的一个重要应用是研制新型激光器,目前,红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化,而表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。传统上在光电子领域占统治地位的有源器件是常规量子阱结构端面发射激光器,但其仍然具有以下弊端,如有源区极薄(约0.01μm)端面光电灾变损伤、大电流电热烧毁和光束质量差。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早以从理论上证明了多有源区带间隧穿级联、光子耦合激光器与中远红外探测器,与通常的量子阱激光器相比,具有更优越的性能,并从1993年开始了此类新型红外探测器和激光器的实验研究。1999年初,980nmInGaAs新型激光器输出功率达5W以上,包括量子效率、斜率效率等均达当时国际最好水平。近年来,又开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究,这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器,在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制,基于能带设计和对半导体微结构子带能级的研究,1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器(QCLs),突破了半导体能隙对波长的限制,成功地获得3.5～17μm波长可调的红外激光器,为半导体激光器向中红外波段的发展以及在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器、无线光学连接和红外对抗等应用方面开辟了一个新领域。3.3量子阱在光通讯方面的应用光通信是现代通信的主要方式,光通讯的发展需要宽带宽、高速、大容量的光发射机和光接收机,这些仪器不仅要求其体积小,质量高,同时又要求它成本低,能够大规模应用,为了达到这些目的,光子集成电路(PIC’S)和光电子集成电路(OEIC’S)被开发出来。但是,通常光子集成电路和光电子集成电路是采用多次光刻,光栅技术、干湿法腐蚀技术、多次选择外延生长MOCVD或MBE等复杂工艺,从而可能使衔接部位晶体质量欠佳和器件间的耦合效率低下,影响了有源器件性能和可靠性。近20年来发展了许多选择量子阱无序或称之为量子阱混合(QWI)的新方法,目的在于量子阱一次生长(MOCVD-QW)后,获得在同一外延晶片上横向不同区域具有不同的带隙、光吸收率、光折射率和载流子迁移率,达到横向光子集成和光电子集成的目的,这样就避免了多次生长和反复光刻的复杂工艺。为了进一步改善量子阱激光器的性能,人们又在量子阱中引入应变和补偿应变,出现了应变量子阱激光器和补偿应变量子阱激光器,应变的引入减小了空穴的有限质量,进一步减小了价带间的跃迁,从而使量子阱激光器的阚值电流大为降低,量子效率和振荡频率大大提高,并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复台的降低而进一步改善了稳定特性,实现了激光器无致冷工作。__在阱和垒中分别引入不同应变(张应变/压应变)实现应变补偿,不仅能改善材料质量,从而提高激光器的寿命,而且可利用压变对应于TE模式,张应变主要对应于TM模式的特性,制作与偏振无关的半导体激光放大器。基于MOCVD外延技术的量子阱期间的发展初略可分为下面几个阶段:体材料激光器→普通量子阱激光器→应变和补偿应变量子阱激光器→与偏振无关半导体激光放大器→光子及光电器件的集成。量子阱激光器,由于它在阈值电流密度、阈值电流温度依赖性、调制速率、偏振特性以及波长可调谐等方面具有的优越特性,因此被誉为一代理想的半导体激光器。3.4量子阱结构LED光显示技术是光电子技术应用范围最广,同时也是市场化程度最高的一个领域,半导体发光二极管(LED)作为光显示技术中最活跃的分支,其代表性产品超高亮度蓝／绿光LED已经实现了商品化。与白炽灯相比,高亮度蓝光LED估计可节能80%而且寿命呈几个数量级的增长,这为白光灯带来了革命,也因此被称之为“新世纪的光源”,而目前的主要工作在于降低成本。由于蓝光LED的市场潜力极大,许多大公司和研究机构都纷纷加入到开发I族氮化物蓝光LD的行列之中。典型的如HP公司以蓝宝石为衬底,业已研制成功脊波导折射率导引的GalnN/A1GaN多量子阱蓝光LD,其脉冲功率达到80mW,但寿命只有几个小时。SDL公司在1998年初宣布研制成功GaN蓝光LD,该器件采用蓝宝石作为衬底材料,增益导引,脉冲工作,典型的阈值电流密度为8.5～12kA/cm,峰值波长为395～408nm,其输出功率与Nichia公司的最好水平相当,达到每面150mW。Fujitsu公司和Cree公司则采用SiC作为衬底材料,开发Ⅲ族氮化物蓝光LD。Fujitsu公司GaN器件的输出功率约为20mW,波长为414nm。Cree公司在l997年推出2英寸SiC衬底,为实现以SiC为衬底的GaN蓝光LD的大规模生产铺平了道路。目前该公司的GaN蓝光LD器件也已实现室温连续激射。目前,研制成功的GaN系蓝光器件绝大多数是制作在蓝宝石衬底上的,但是它存在着以下一些问题:(1)蓝宝石衬底价格较昂贵,与GaN／Si系相比GaN／A1:O系器件成本高得多;(2)蓝宝石硬度较高,且蓝宝石衬底不易解理,因此很难切割成规则的小方块;(3)蓝宝石是绝缘体,作为电极的引出需要多一道沉积透明导电薄膜电极的工艺。相对而言,硅作为衬底将有助于解决以上问题,硅价格便宜,工艺简便,易于解理,同时可直接作为电极引出。尤其更为值得一提的是GaN／Si材料及器件的研制可为硅基集成光电子的实现铺平道路。因此,GaN／Si蓝光器件的研制是人们努力追求的目标。