半導體量子阱(Semiconductor quantum wells)是指兩種半導體材料按三明治樣式生長成的結構。以AlAs和GaAs兩種材料生長成的半導體量子阱為例，三明治結構的兩邊是由AIAs層形成的勢壘，夾心的GaAs中間層，在其層厚小於電子的德布羅意波長時，就形成了電子(空穴)的量子阱。
基本介紹
- 中文名：半導體量子阱
- 外文名：Semiconductor quantum wells
- 釋義：兩種半導體材料按三明治樣式生長
- 舉例：AlAs和GaAs
- 製備工藝：蒸發、刻蝕、減薄、合金
- 套用：半導體量子阱雷射器
簡介,製備技術,半導體量子阱雷射器,
簡介
以AlAs和GaAs兩種材料生長成的半導體量子阱為例，三明治結構的兩邊是由AIAs層形成的勢壘，夾心的GaAs中間層，在其層厚小於電子的德布羅意波長時，就形成了電子(空穴)的量子阱。量子阱中的電子沿層面自由運動，垂直層面受限制，構成所謂兩維電子氣，並在垂直層面方向形成分立能級。分立能級間的能隙隨阱寬增大而變小，直至過渡到自由空間的連續能級的現象，反映了量子阱的基本效應—量子尺寸效應。
在量子阱中，能態密度變成了台階狀，完全不同於體材料的拋物線型。半導體量子阱的上述新效應已得到許多套用，如製成量子阱測光器、光探測器等。
製備技術
製備半導體量子阱雷射器工藝包括蒸發、刻蝕、減薄、合金、解理、鍍膜、劃片、中測、燒結、球焊、老化、裝架、封管和質檢等。為滿足新型雷射器的性能要求，上述工藝技術都須精化提高，升級換代，伴隨著許多新的工藝技術和設備製造難題。
採用MBE技術製備的半導體量子阱雷射器由於有源區量子阱的寬度只有10 nm左右，量子限制效應導致的能態密度變化使器件的閾值電流密度大大降低，室溫連續工作模式下只有幾百A/cm2，最低甚至可以達到約40 A/cm2。這極大地提高了器件的性能，拓寬了器件的套用領域，使量子阱雷射器成為目前半導體雷射器市場的主流產品。目前代表性的器件包括用於泵浦YAG雷射器的808 nm大功率半導體量子阱雷射器，用於光纖通信的1.3μm，1.55 μm量子阱雷射器。用於泵浦摻Er光纖放大器的980 nm量子阱雷射器等。
半導體量子阱雷射器
半導體量子阱雷射器的模擬要比微電子器件的模擬複雜得多，主要體現在以下幾個方面：
一、器件描述
描述系統要首先給出橫向和縱向的大致輪廓，對於橫向，要給出每一層的參數，如長度、寬度、厚度、位置、摻雜濃度、材料體系及組分，還要指出歐姆接觸、肖特基接觸、自由邊界、有源區位置及光限制位置；對於縱向，要給出端面反射情況，相移位置及大小、光柵參數、耦合係數、腔長及用於傳遞矩陣分析的縱向剖分情況，縱向描述是完全有別於微電子器件的。
二、非線性耦合方程組自洽求解
量子阱雷射器模擬所套用的理論模型，包括泊松方程，電子空穴連續性方程、熱傳導方程、波動方程、光子速率方程及薛丁格方程，這些方程都是非線性的，通過電勢、準費米能級、載流子密度和光子密度耦合在一起。求解起來不但複雜，而且還耗費時間，首先要全部線性化，然後再建立自洽疊代系統，是否收斂與初值關係密切，不合適的初值還會導致溢出錯誤，中斷求解過程。
三、能帶工程的引入
設計高性能的半導體雷射器，特別是低閾值高微分增益應變數子阱雷射器，引入能帶工程是必需的．能帶工程可通過薄層材料組分設計來獲得所需發射波長，另外可獲取增益係數、狀態密度、線寬增強因子、微分增益及量子化能級等重要參數。能帶工程還可以定量分析壓應變及張應變對能帶結構的影響及價帶耦合效應，精確的能帶分析還需要能帶不連續性的計算。
