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半導體量子阱（半導體量子阱）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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半導體量子阱

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(jié)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(jié)構的兩邊是由AIAs層形成的勢壘，夾心的GaAs中間層，在其層厚小于電子的德布羅意波長時，就形成了電子(空穴)的量子阱。

基本信息

中文名	半導體量子阱
外文名	Semiconductor quantum wells
制備工藝	蒸發(fā)、刻蝕、減薄、合金
舉例	AlAs和GaAs
應用	半導體量子阱激光器
釋義	兩種半導體材料按三明治樣式生長

收起

簡介

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，并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(xù)能級的現(xiàn)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(tài)密度變成了臺階狀，完全不同于體材料的拋物線型。半導體量子阱的上述新效應已得到許多應用，如制成量子阱測光器、光探測器等。

制備技術

制備半導體量子阱激光器工藝包括蒸發(fā)、刻蝕、減薄、合金、解理、鍍膜、劃片、中測、燒結(jié)、球焊、老化、裝架、封管和質(zhì)檢等。為滿足新型激光器的性能要求，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制造難題。

采用MBE技術制備的半導體量子阱激光器由于有源區(qū)量子阱的寬度只有10 nm左右，量子限制效應導致的能態(tài)密度變化使器件的閾值電流密度大大降低，室溫連續(xù)工作模式下只有幾百A/cm ，最低甚至可以達到約40 A/cm 。這極大地提高了器件的性能，拓寬了器件的應用領域，使量子阱激光器成為目前半導體激光器市場的主流產(chǎn)品。目前代表性的器件包括用于泵浦YAG激光器的808 nm大功率半導體量子阱激光器，用于光纖通信的1.3μm，1.55 μm量子阱激光器。用于泵浦摻Er光纖放大器的980 nm量子阱激光器等。

半導體量子阱激光器

半導體量子阱激光器的模擬要比微電子器件的模擬復雜得多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一、器件描述

描述系統(tǒng)要首先給出橫向和縱向的大致輪廓，對于橫向，要給出每一層的參數(shù)，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(qū)位置及光限制位置；對于縱向，要給出端面反射情況，相移位置及大小、光柵參數(shù)、耦合系數(shù)、腔長及用于傳遞矩陣分析的縱向剖分情況，縱向描述是完全有別于微電子器件的。

二、非線性耦合方程組自洽求解

量子阱激光器模擬所應用的理論模型，包括泊松方程，電子空穴連續(xù)性方程、熱傳導方程、波動方程、光子速率方程及薛定諤方程，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。求解起來不但復雜，而且還耗費時間，首先要全部線性化，然后再建立自洽迭代系統(tǒng)，是否收斂與初值關系密切，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激光器，特別是低閾值高微分增益應變量子阱激光器，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(fā)射波長，另外可獲取增益系數(shù)、狀態(tài)密度、線寬增強因子、微分增益及量子化能級等重要參數(shù)。能帶工程還可以定量分析壓應變及張應變對能帶結(jié)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(xù)性的計算。

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