OPTON的微观世界|第18期 量子阱

在上期里，小编带大家见识了一下弹壳的神奇，借助Gemini300场发射扫描电子显微镜对弹壳表面材料进行了细微结构的表征和成分分析，以及对收口处裂纹的研究，顿时觉得自己也高大上起来，有木有，这期呢，小编带领大家进军光电材料，再小小透露一点，量子阱材料，一起来见证一下扫描电子显微镜技术在量子阱研究中的厉害吧！

那么量子阱是什么呢，小编就小小解释一下，量子阱就是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限域效应的电子或空穴的势阱。量子阱器件，即指采用量子阱材料作为有源区的光电子器件。

如下图，量子阱器件的基本结构是两块N型GaAs附于两端，而中间有一个薄层，这个薄层的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成。在未加偏压时，各个区域的势能与中间的GaAs对应的区域形成了一个势阱，故称为量子阱。电子的运动路径是从左边的N型区（发射极）进入右边的N型区（集电极），中间必须通过AlGaAs层进入量子阱，然后再穿透另一层AlGaAs。量子阱器件虽然是新近研制成功的器件，但已在很多领域获得了应用，如量子阱红外探测器、GaA s、InP基超晶格、量子阱材料、量子光通讯和量子结构LED等，而且随着制作水平的提高，它将获得更加广泛的应用。

量子阱的基本结构

量子阱材料一般使用分子束外延(molecular beam epitaxy ,简称 MBE)或金属有机氧化物化学气相沉积法(MOCVD)技术制备，对于量子阱材料界面结构的观察，晶体生长过程中出现的诸如层错，位错等缺陷的形成、特性及其分布等，我们一般利用高分辨透射扫描电镜(TEM)来观察，从而确定材料微观结构参数与器件宏观性能参数间的关系。众所周知，透射样品制备要求严格，制样困难，首先要将样品膜面利用进行对粘，再继续线切割为3mm×1mm；其次采用砂纸将样品打磨抛光使其厚度为60μm 左右，再抛光至 20μm；最后使用离子减薄仪将样品轰击为10nm以下。这个过程技术要求高，每一步都需要经验，不是一般人都可以做的，而且成本较高；而扫描电镜相比较而言，样品制备简单，导电样品直接用导电胶固定在样品台上，放入腔室内进行观察，对于不导电样品，我们也有自己的解决方案，一配备离子溅射仪，即喷金，二采用低电压模式，低电压成像是现代场发射扫描电镜的技术发展趋势，低电压成像可以呈现样品极表面细节、可以减少不导电样品的荷电（放电）现象、可以减少电子束对样品的损伤。

对于薄膜材料更是如此，下面就是我们来看看采用蔡司sigma 500所测的量子阱材料，我们得到了10万和15万倍下的量子阱的背散射图片，可以看出样品界面出现了亮暗程度不同的衬度带，各层分界清楚，界面平整，层分布精度高，周期性好，厚度为 68.11nm，阱和势垒交替出现，从而确定周期厚度。

随着分子束外延和金属有机化学汽相淀积技术的迅速发展，人们已能够生长出原子尺度的、界面平滑的优质超薄层半导体材料，可以在生长方向上精确地控制薄层的组分和厚度，从而实现超晶格量子阱结构，所以晶格量子阱结构材料及应用的研究已迅速发展成当今半导体物理和固体物理学中最重要的前沿课题之一，而扫描电子显微镜一定可以大展身手，那就跟紧小编的步伐，我们一起跟随蔡司扫描电镜去见证光电材料史的辉煌吧！

下期有什么精彩内容呢？敬请期待吧！