半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析

鄭 偉

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)，吉林 長春 130012）

半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析

鄭 偉

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)，吉林 長春 130012）

文章主要闡述了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)電子的量子特性，對半導(dǎo)體量子電子和光電子器件進(jìn)行科學(xué)的分析，其中，對電子波輸運狀況、庫侖阻塞效應(yīng)等作出了一定分析基礎(chǔ)上，介紹了幾種較為新穎的、具有代表性的量子電子器件和量子光電子器件的物理模型，并對半導(dǎo)體量子電子和光電子器件運行的基本原理作出了科學(xué)的理解。

半導(dǎo)體；量子電子；光電子器件

半導(dǎo)體量子電子和光電子器件，作為近年來我國器件研制環(huán)節(jié)的前沿產(chǎn)品，加強對其分析與研究具有理論與實踐的必要性和重要性。當(dāng)今社會，半導(dǎo)體量子電子和光電子的迅速發(fā)展，在一定程度上是由信息技術(shù)等的廣泛應(yīng)用以及相關(guān)需求的不斷擴(kuò)大帶動的；此外，隨著材料制備技術(shù)的新發(fā)展，半導(dǎo)體量子電子和光電子器件也取得了新的發(fā)展機(jī)遇。由于半導(dǎo)體量子電子和光電子技術(shù)作為推動信息社會發(fā)展的重要支柱力量，加強對其分析與研究符合時代發(fā)展的需求。

1 量子器件時代發(fā)展的新機(jī)遇

在開展半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析環(huán)節(jié)中，結(jié)合Moore定律研究發(fā)現(xiàn)，在過去的40多年時間內(nèi)，表征存儲技術(shù)的芯片集成度實現(xiàn)了兩年一翻的發(fā)展速度。同時，相關(guān)工作人員依據(jù)具體的實驗研究，表明當(dāng)體系的對應(yīng)尺度實現(xiàn)電子波長度一致時，就會產(chǎn)生量子效應(yīng)。量子器件時代發(fā)展環(huán)節(jié)，在納米量級的晶體管就會出現(xiàn)一些新現(xiàn)象分析，其中，電子干涉與無磁場下的附件平行電導(dǎo)就會出現(xiàn)較大的變化。此外，電導(dǎo)振蕩周期的相關(guān)變化也出現(xiàn)了較大的變化，其中，共振隧穿二極管以及量子阱紅外測量器等都是基于量子力學(xué)的框架基礎(chǔ)上開展的相關(guān)討論。

對于半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析環(huán)節(jié)，納米精度上的材料制備以及相關(guān)器件，同樣，線路制作是制約器件發(fā)展的決定因素。半導(dǎo)體量子電子和光電子器件在過去發(fā)展的幾年時間，分子束外延技術(shù)（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）同樣被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體相關(guān)的微結(jié)構(gòu)制作。在制作體系建設(shè)環(huán)節(jié)，實際可控制特征尺寸的相關(guān)要求，已經(jīng)達(dá)到了精確度要求對生長方向上單個原子層的相關(guān)規(guī)定。在滿足相關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上，這些相關(guān)材料的制作技術(shù)的成熟與完善，為復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和常規(guī)結(jié)構(gòu)的部分器件制作提供了一定的環(huán)境基礎(chǔ)。

2 關(guān)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子分析

在實施半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析過程中，首先需要考慮晶體的基本特征。晶體的基本特征主要表現(xiàn)為平移對稱性，其特性在電子學(xué)以及光電子學(xué)領(lǐng)域也具有表現(xiàn)的特殊性。電子學(xué)和光電子學(xué)所涉及的半導(dǎo)體機(jī)構(gòu)一般為金剛石結(jié)構(gòu)以及閃鋅礦結(jié)構(gòu)，而金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)則由其晶體結(jié)構(gòu)決定。異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為量子器件的一項基本機(jī)構(gòu)，其組成也具有自身的特殊性，異質(zhì)結(jié)構(gòu)一般由兩種晶格結(jié)構(gòu)相似的材料組成，但是，必須要注意強調(diào)相似結(jié)構(gòu)材料的異質(zhì)性和不同構(gòu)成。兩種晶體結(jié)構(gòu)的組成材料十分廣泛，但是在一般情況下，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成材料必須實現(xiàn)與晶格常數(shù)之間實現(xiàn)匹配，此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)還必須滿足二元晶體或者滿足三元晶體的材料要求，才能實現(xiàn)最理想的異制結(jié)構(gòu)。在對半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析環(huán)節(jié)，實現(xiàn)有效質(zhì)量理論來處理異質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，則主要是將異質(zhì)結(jié)構(gòu)看作是一個附屬物，實現(xiàn)附加在一個均一的半導(dǎo)體上，并在這個附屬環(huán)節(jié)，實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)問題的解決。此外，量子器件一般會涉及不同維度的電子體系問題，而不同維度的電子體系之間存在的不同光學(xué)性質(zhì)來源于電子體系的體態(tài)密度，為此，實現(xiàn)半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析的基礎(chǔ)上，要將電子體系態(tài)密度和維度之間的關(guān)系進(jìn)行分析。在分析基礎(chǔ)上，得出態(tài)密度是單位體積，且主要是在能量附近單位能量之間隔離的電子態(tài)數(shù)，態(tài)密度的每一位量子態(tài)都可以通過向上旋轉(zhuǎn)或向下旋轉(zhuǎn)的不同性質(zhì)的兩個電子占據(jù)。

3 對量子電子器件的分析

開展半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析環(huán)節(jié)，還需將量子電子器件的分析作為分析的著力點。其中，共振隧穿二級管（Resonant Tunneling Diodes，RTD）作為數(shù)字電路中最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N納米電子器件。RTD基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成是由兩層禁帶寬度大的半導(dǎo)體中間夾，半導(dǎo)體中間夾以禁帶寬度小的半導(dǎo)體組合形成了雙勢壘，雙勢壘兩端再用重復(fù)摻雜材料，并相互之間互相作用形成了電接觸。關(guān)于對隧穿二極管的含義理解，可以從隧穿二極管的最初概念理解出發(fā)。隧穿二極管在研究最初，隧穿主要是指電子在導(dǎo)帶和價帶之間的相互作用，并通過帶之間形成的躍遷。隨著隧穿二極管概念發(fā)展到今天，其主要是由隧穿的勢壘層即由異質(zhì)的結(jié)的導(dǎo)帶以及價帶之間的不連續(xù)性構(gòu)成的。經(jīng)過專業(yè)人員的研究表明，許多新的量子器件的主要特性表現(xiàn)為電子通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的隧穿。當(dāng)前的量子器件主要分為兩類，其中一類屬于三電極，其主要代表是研究電熱子隧穿晶體管。電熱子隧穿晶體管把異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壘，作為將熱電子在較短的時間內(nèi)快速注入比較窄的基極路徑。其在工作環(huán)節(jié)，一般情況下形成的基級散射率比較小，其形成的散射率在工作狀態(tài)下，電子就會形成相當(dāng)高的工作效率，并最終形成工作效率較高的集電極。其中第二類主要是兩電極的器件組成的，兩電極中共振隧穿，主要包括超晶格的機(jī)構(gòu)以及雙壘量子阱兩個為主要代表。超晶格的機(jī)構(gòu)和雙壘量子阱，都具有較強的負(fù)極電導(dǎo)，其中的負(fù)電導(dǎo)，除了在微波領(lǐng)域方面得到廣泛應(yīng)用，還廣泛地應(yīng)用于數(shù)字以及光學(xué)器件中。

4 對量子光電子器件的分析

關(guān)于半導(dǎo)體量子電子和光電子器件分析環(huán)節(jié)，還需要對量子光電子器件進(jìn)行科學(xué)的分析。首先，需要對量子阱紅外探測器（Quantum Well Infrared Detectors，QWIP）作出實驗探索，量子的紅外探測器是指，一種把紅外輻射變?yōu)殡娮有盘柕南嚓P(guān)轉(zhuǎn)換器，紅外探測器可以分為熱探測器和光子探測器兩種類別。熱探測器主要是根據(jù)入射輻射的熱效應(yīng)引起的器件，熱探測器與溫度有關(guān)的參數(shù)變化值密切相關(guān)，并根據(jù)其參數(shù)的變化值來進(jìn)行相關(guān)的探測活動。關(guān)于量子阱紅外探測器的相關(guān)研究，早在1988 年的貝爾試驗，就進(jìn)行了專業(yè)的報告研究。在研究報告中顯示，HgCdTe為代表的窄禁帶半導(dǎo)體探測器不同，量子阱探測器表現(xiàn)出其自身的特性。而寬禁帶的半導(dǎo)體材料由于量子限制效應(yīng)，其主要在導(dǎo)帶和價帶中形成相關(guān)的大量自能級。關(guān)于紅外輻射響應(yīng)的就是這些子能級別相互之間的躍遷。與HgCdTe不同的是，QWIP的優(yōu)點主要表現(xiàn)為其材料的特性。QWIP的材料更具有均勻性，尤其是其器件的制作工藝比較成熟，在逐漸成熟和發(fā)展完善環(huán)節(jié)，其抗輻射能力強，且成本較低，都是其在發(fā)展環(huán)節(jié)體現(xiàn)的主要優(yōu)勢。其中，量子阱機(jī)關(guān)器則表現(xiàn)為其閾值的電流較小、線寬窄以及功率高等優(yōu)點。

5 結(jié)語

近年來，量子器件已經(jīng)成為引領(lǐng)器件研制前沿的重要領(lǐng)域，其前沿領(lǐng)域地位的獲取與信息技術(shù)的迅速發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)及其信息技術(shù)的迅速發(fā)展，以及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，材料制備技術(shù)發(fā)展也獲得了新的發(fā)展機(jī)遇。在這一環(huán)節(jié)，對性價比高、運轉(zhuǎn)高速度、可靠性能高的器件追求，成為器件實現(xiàn)高度集成化的一項重要表現(xiàn)。同時，實現(xiàn)器件的高度集成化，當(dāng)前已經(jīng)成為計算機(jī)工業(yè)發(fā)展的核心問題。在實現(xiàn)器件時代發(fā)展的同時，線路中集成的器件總量也呈現(xiàn)出遞增趨勢，單個器件的維度已經(jīng)實現(xiàn)了納米量級的追求目標(biāo)。在理性對待量子器件發(fā)展的時代前景時，還需要正視量子器件的未來發(fā)展，為更好地適應(yīng)多媒體技術(shù)發(fā)展需求對芯片尺寸的更小要求。

[1]曹曼.核心電子器件研究趨勢可視化分析—以光電子器件為例[J].無線互聯(lián)科技，2013（10）：102-104.

[2]曹則賢.光電子器件：中國科學(xué)家談科學(xué)[J].科學(xué)觀察，2008（2）：38.

[3]夏建白.半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)物理效應(yīng)及其應(yīng)用講座第2講：量子阱、超晶格物理及其在光電子領(lǐng)域中的應(yīng)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

鄭偉（1966— ），男，吉林長春，高級工程師；研究方向：光電子工藝和器件。