半导体量子电子和光电子器件分析

郑 伟

（吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林 长春 130012）

半导体量子电子和光电子器件分析

郑 伟

（吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林 长春 130012）

文章主要阐述了半导体异质结构电子的量子特性，对半导体量子电子和光电子器件进行科学的分析，其中，对电子波输运状况、库仑阻塞效应等作出了一定分析基础上，介绍了几种较为新颖的、具有代表性的量子电子器件和量子光电子器件的物理模型，并对半导体量子电子和光电子器件运行的基本原理作出了科学的理解。

半导体；量子电子；光电子器件

半导体量子电子和光电子器件，作为近年来我国器件研制环节的前沿产品，加强对其分析与研究具有理论与实践的必要性和重要性。当今社会，半导体量子电子和光电子的迅速发展，在一定程度上是由信息技术等的广泛应用以及相关需求的不断扩大带动的；此外，随着材料制备技术的新发展，半导体量子电子和光电子器件也取得了新的发展机遇。由于半导体量子电子和光电子技术作为推动信息社会发展的重要支柱力量，加强对其分析与研究符合时代发展的需求。

1 量子器件时代发展的新机遇

在开展半导体量子电子和光电子器件分析环节中，结合Moore定律研究发现，在过去的40多年时间内，表征存储技术的芯片集成度实现了两年一翻的发展速度。同时，相关工作人员依据具体的实验研究，表明当体系的对应尺度实现电子波长度一致时，就会产生量子效应。量子器件时代发展环节，在纳米量级的晶体管就会出现一些新现象分析，其中，电子干涉与无磁场下的附件平行电导就会出现较大的变化。此外，电导振荡周期的相关变化也出现了较大的变化，其中，共振隧穿二极管以及量子阱红外测量器等都是基于量子力学的框架基础上开展的相关讨论。

对于半导体量子电子和光电子器件分析环节，纳米精度上的材料制备以及相关器件，同样，线路制作是制约器件发展的决定因素。半导体量子电子和光电子器件在过去发展的几年时间，分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）同样被广泛地应用于半导体相关的微结构制作。在制作体系建设环节，实际可控制特征尺寸的相关要求，已经达到了精确度要求对生长方向上单个原子层的相关规定。在满足相关规定的基础上，这些相关材料的制作技术的成熟与完善，为复杂的微观结构和常规结构的部分器件制作提供了一定的环境基础。

2 关于异质结构中的电子分析

在实施半导体量子电子和光电子器件分析过程中，首先需要考虑晶体的基本特征。晶体的基本特征主要表现为平移对称性，其特性在电子学以及光电子学领域也具有表现的特殊性。电子学和光电子学所涉及的半导体机构一般为金刚石结构以及闪锌矿结构，而金刚石结构和闪锌矿结构的光电性质则由其晶体结构决定。异质结构作为量子器件的一项基本机构，其组成也具有自身的特殊性，异质结构一般由两种晶格结构相似的材料组成，但是，必须要注意强调相似结构材料的异质性和不同构成。两种晶体结构的组成材料十分广泛，但是在一般情况下，异质结构的构成材料必须实现与晶格常数之间实现匹配，此外，异质结构还必须满足二元晶体或者满足三元晶体的材料要求，才能实现最理想的异制结构。在对半导体量子电子和光电子器件分析环节，实现有效质量理论来处理异质结构的问题，则主要是将异质结构看作是一个附属物，实现附加在一个均一的半导体上，并在这个附属环节，实现异质结构问题的解决。此外，量子器件一般会涉及不同维度的电子体系问题，而不同维度的电子体系之间存在的不同光学性质来源于电子体系的体态密度，为此，实现半导体量子电子和光电子器件分析的基础上，要将电子体系态密度和维度之间的关系进行分析。在分析基础上，得出态密度是单位体积，且主要是在能量附近单位能量之间隔离的电子态数，态密度的每一位量子态都可以通过向上旋转或向下旋转的不同性质的两个电子占据。

3 对量子电子器件的分析

开展半导体量子电子和光电子器件分析环节，还需将量子电子器件的分析作为分析的着力点。其中，共振隧穿二级管（Resonant Tunneling Diodes，RTD）作为数字电路中最有发展潜力的一种纳米电子器件。RTD基本结构的构成是由两层禁带宽度大的半导体中间夹，半导体中间夹以禁带宽度小的半导体组合形成了双势垒，双势垒两端再用重复掺杂材料，并相互之间互相作用形成了电接触。关于对隧穿二极管的含义理解，可以从隧穿二极管的最初概念理解出发。隧穿二极管在研究最初，隧穿主要是指电子在导带和价带之间的相互作用，并通过带之间形成的跃迁。随着隧穿二极管概念发展到今天，其主要是由隧穿的势垒层即由异质的结的导带以及价带之间的不连续性构成的。经过专业人员的研究表明，许多新的量子器件的主要特性表现为电子通过异质结构形成的隧穿。当前的量子器件主要分为两类，其中一类属于三电极，其主要代表是研究电热子隧穿晶体管。电热子隧穿晶体管把异质结构的垒，作为将热电子在较短的时间内快速注入比较窄的基极路径。其在工作环节，一般情况下形成的基级散射率比较小，其形成的散射率在工作状态下，电子就会形成相当高的工作效率，并最终形成工作效率较高的集电极。其中第二类主要是两电极的器件组成的，两电极中共振隧穿，主要包括超晶格的机构以及双垒量子阱两个为主要代表。超晶格的机构和双垒量子阱，都具有较强的负极电导，其中的负电导，除了在微波领域方面得到广泛应用，还广泛地应用于数字以及光学器件中。

4 对量子光电子器件的分析

关于半导体量子电子和光电子器件分析环节，还需要对量子光电子器件进行科学的分析。首先，需要对量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Detectors，QWIP）作出实验探索，量子的红外探测器是指，一种把红外辐射变为电子信号的相关转换器，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两种类别。热探测器主要是根据入射辐射的热效应引起的器件，热探测器与温度有关的参数变化值密切相关，并根据其参数的变化值来进行相关的探测活动。关于量子阱红外探测器的相关研究，早在1988 年的贝尔试验，就进行了专业的报告研究。在研究报告中显示，HgCdTe为代表的窄禁带半导体探测器不同，量子阱探测器表现出其自身的特性。而宽禁带的半导体材料由于量子限制效应，其主要在导带和价带中形成相关的大量自能级。关于红外辐射响应的就是这些子能级别相互之间的跃迁。与HgCdTe不同的是，QWIP的优点主要表现为其材料的特性。QWIP的材料更具有均匀性，尤其是其器件的制作工艺比较成熟，在逐渐成熟和发展完善环节，其抗辐射能力强，且成本较低，都是其在发展环节体现的主要优势。其中，量子阱机关器则表现为其阈值的电流较小、线宽窄以及功率高等优点。

5 结语

近年来，量子器件已经成为引领器件研制前沿的重要领域，其前沿领域地位的获取与信息技术的迅速发展密切相关。当前，科学技术及其信息技术的迅速发展，以及其应用范围的不断扩大，材料制备技术发展也获得了新的发展机遇。在这一环节，对性价比高、运转高速度、可靠性能高的器件追求，成为器件实现高度集成化的一项重要表现。同时，实现器件的高度集成化，当前已经成为计算机工业发展的核心问题。在实现器件时代发展的同时，线路中集成的器件总量也呈现出递增趋势，单个器件的维度已经实现了纳米量级的追求目标。在理性对待量子器件发展的时代前景时，还需要正视量子器件的未来发展，为更好地适应多媒体技术发展需求对芯片尺寸的更小要求。

[1]曹曼.核心电子器件研究趋势可视化分析—以光电子器件为例[J].无线互联科技，2013（10）：102-104.

[2]曹则贤.光电子器件：中国科学家谈科学[J].科学观察，2008（2）：38.

[3]夏建白.半导体微结构物理效应及其应用讲座第2讲：量子阱、超晶格物理及其在光电子领域中的应用[J].物理，2004（9）：684-691.

Analysis on the semiconductor quantum electronic and optoelectronic devices

Zheng Wei
（Electronic Science and Engineering College of Jilin University, State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Jilin University Experimental Zone, Changchun 130012, China）

This paper mainly expounds the quantum characteristics of semiconductor heterogeneous structure electrons, and makes a scientific analysis of semiconductor quantum electron and optoelectronic devices. On the basis of certain analysis of electronic wave transport status and Coulomb blocking effect, this paper introduces several new and representative physical models of quantum electronic devices and quantum optoelectronic devices, as well as the scienti fi c understanding of the basic principles of the operation of semiconductor quantum electrons and optoelectronic devices.

semiconductors; Quantum electronics; optoelectronic devices

郑伟（1966— ），男，吉林长春，高级工程师；研究方向：光电子工艺和器件。