量子阱

量子阱是仅具有离散能量值的势阱。

用于演示量子阱的经典模型是通过迫使粒子占据平面区域，将最初可以在三个维度上自由移动的粒子限制为二维。 当量子阱厚度变得与载流子（通常是电子和空穴）的德布罗意波长相当时，就会发生量子限制效应，从而导致称为能量子带的能级，即载流子只能具有离散的能量值。

基于量子阱系统的理论，已经开发出各种各样的电子量子阱装置。 这些器件已在激光器、光电探测器、调制器和开关等领域得到应用。 与传统设备相比，量子阱设备速度更快，运行更经济，对技术和电信行业来说具有极其重要的意义。 这些量子阱设备目前正在取代许多电子设备中的许多（如果不是全部的话）传统电子元件。

量子阱的概念于 1963 年由赫伯特•克勒默 ( Herbert Kroemer ) 以及若列斯·阿尔费罗夫 ( Zhores Alferov ) 和 R.F. 卡扎里诺夫。

半导体量子阱由 Esaki 和 Tsu 于 1970 年开发，他们还发明了合成超晶格。 他们建议，由具有不同带隙的交替半导体薄层组成的异质结构应该表现出有趣和有用的特性。 从那时起，许多努力和研究都投入到研究量子阱系统的物理学以及开发量子阱设备上。

量子阱器件的发展很大程度上归功于晶体生长技术的进步。 这是因为量子阱器件需要高纯度且缺陷少的结构。 因此，对这些异质结构的生长有很好的控制，可以开发出具有非常微调特性的半导体器件。

量子丘与半导体物理一直是物理学研究的热点。若列斯·阿尔费罗夫和赫伯特•克勒默因使用由多个半导体组成的结构开发半导体器件而获得了 2000 年的诺贝尔奖。

围绕量子阱器件的理论已导致许多现代组件（例如发光二极管、晶体管）的生产和效率取得显着进步。 如今，此类设备在现代手机、计算机和许多其他计算设备中无处不在。

量子槽是通过将一种材料（如砷化镓）夹在两层带隙更宽的材料（如砷化铝）之间而在半导体中形成的。 （其他例子：夹在两层氮化镓之间的一层氮化铟镓。）这些结构可以通过分子束外延或化学气相沉积来生长，并控制层厚度到单层。

金属薄膜也可以支持量子阱态，特别是在金属和半导体表面生长的薄金属覆盖层。 真空-金属界面将电子（或空穴）限制在一侧，通常，通过与半导体基板的绝 对间隙，或通过与金属基板的投影带隙。

生长 QW 材料系统有 3 种主要方法：晶格匹配、应变平衡和应变。

• 晶格匹配系统：在晶格匹配系统中，阱和势垒具有与底层衬底材料相似的晶格常数。 采用这种方法，带隙差的错位最小，吸收光谱的偏移也最小。
• 应变平衡系统：在应变平衡系统中，阱和势垒的生长使得其中一层晶格常数的增加可以通过下一层与衬底材料相比晶格常数的降低来补偿。 层的厚度和组成的选择会影响带隙要求和载流子传输限制。 这种方法提供了最 大的设计灵活性，提供大量周期性 QW，且应变松弛最小。
• 应变系统：应变系统是在晶格常数不相似的孔和势垒中生长的。 紧张的系统压缩了整个结构。 因此，该结构只能容纳几个量子阱。

最简单的量子阱系统之一可以通过在具有不同带隙的另一种半导体材料的两层之间插入薄层一种类型的半导体材料来构建。 举个例子，带隙较大的两层 AlGaAs 围绕带隙较小的 GaAs 薄层。 假设材料的变化沿 z 方向发生，因此势阱沿 z 方向（在 x-y 平面内没有限制）。