量子阱

量子阱（quantum well）是指與電子的德布羅意波長可比的微觀尺度 上的勢阱。量子力學發展早期就提出了量子阱的概念。

基本介紹

• 中文名：量子阱
• 外文名：quantum well
• 特徵：與電子的德布羅意波長可比的勢阱
• 套用學科：量子力學

概念解釋

量子阱的基本特徵是由於量子阱寬度（與電子的德布羅意波長可比的尺度）的限制，導致載流子波函式在一維方向上的局域化，量子阱中因為有源層的厚度僅在電子平均自由程內，阱壁具有很強的限制作用，使得載流子只在與阱壁平行的平面內具有二維自由度，在垂直方向，使得導帶和價帶分裂成子帶。量子阱中的電子態、聲子態和其他元激發過程以及它們之間的相互作用，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，電子和空穴的態密度與能量的關係為台階形狀。而不是象三維體材料那樣的拋物線形狀。

20世紀90年代才在實驗室製備出方勢阱，即將一窄帶隙半導體置於寬頻隙半導體材料之間的結構，如典型的Al_xGa_1－xAs/GaAs/Al_xGa_1－xAs量子阱。高質量的量子阱樣品都是用分子束外延或金屬有機化學汽相沉積方法外延生長兩種不同的材料而成的。除了方勢阱，常見的量子阱結構還有半導體異質結構的三角勢阱與拋物勢阱。

量子阱中電子（或空穴）沿外延生長方向的運動受到限制，可形成一系列分立的量子能級，電子（空穴）的波函式主要局域在量子阱中，稱為量子限制效應。另一方面，在平行於量子阱界面的平面內，電子仍作準二維的自由運動。量子阱中每個分立能級對應於一個二維子帶，電子態密度為常數。如果阱記憶體在幾個分立能級，總的態密度包括所有子帶的貢獻，呈台階狀。方勢阱中量子能級間的能量差大致與量子阱寬度的平方成反比，J.丁鐸爾等首先在GaAs單量子阱的吸收光譜中觀察到這種台階形狀的光譜線，並且台階間的距離與量子阱的寬度平方成反比，從而實驗上證實了量子阱的量子限制效應。

量子限制效應使半導體量子阱呈現各種獨特且具有廣泛套用前景的電子學和光子學特性，並可通過改變材料結構、薄層厚度、摻雜和組分對這些特性實行調控。最主要的特性有：雙勢壘量子阱結構中的共振隧穿效應，激子二維特性和室溫雷射發射。

套用

量子限制效應使量子阱中形成分立能級。在雙勢壘量子阱結構中，只有當發射極電子的能量與量子阱中能級相等且橫向動量守恆時，共振隧穿才能發生。而進一步加大電場，使量子阱分立能級低於發射極帶邊，隧穿電流急劇減小，出現負微分電阻現象，這就是共振隧道二極體（RTD）的基本原理。RTD高峰－谷電流比的I－V特性曲線已套用於高頻振盪器和高速邏輯電路等器件。
量子阱中的激子也作準二維運動。由於量子限制效應，量子阱中的二維激子，其結合能接近半導體材料激子束縛能的4倍，使得在室溫下就可能觀察到由激子效應引起的強吸收峰或強螢光峰。這一特性加上量子阱中態密度的二維特性以及能帶工程各種調控手段，可使量子阱雷射器的閾值電流減小、發射波長可調、微分增益提高、特徵溫度等性能得到改善。半導體量子阱在其他光電器件中也得到了廣泛的套用。