半导体量子阱（半导体量子阱）

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更新时间：2023-05-20
半导体量子阱
半导体量子阱(Semiconductor quantum wells)是指两种半导体材料按三明治样式生长成的结构。以AlAs和GaAs两种材料生长成的半导体量子阱为例，三明治结构的两边是由AIAs层形成的势垒，夹心的GaAs中间层，在其层厚小于电子的德布罗意波长时，就形成了电子(空穴)的量子阱。
基本信息
中文名
半导体量子阱
外文名
Semiconductor quantum wells
制备工艺
蒸发、刻蚀、减薄、合金
举例
AlAs和GaAs
应用
半导体量子阱激光器
释义
两种半导体材料按三明治样式生长
收起
简介
量子阱中的电子沿层面自由运动，垂直层面受限制，构成所谓两维电子气，并在垂直层面方向形成分立能级。分立能级间的能隙随阱宽增大而变小，直至过渡到自由空间的连续能级的现象，反映了量子阱的基本效应—量子尺寸效应。
在量子阱中，能态密度变成了台阶状，完全不同于体材料的抛物线型。半导体量子阱的上述新效应已得到许多应用，如制成量子阱测光器、光探测器等。
制备技术
制备半导体量子阱激光器工艺包括蒸发、刻蚀、减薄、合金、解理、镀膜、划片、中测、烧结、球焊、老化、装架、封管和质检等。为满足新型激光器的性能要求，上述工艺技术都须精化提高，升级换代，伴随着许多新的工艺技术和设备制造难题。
采用MBE技术制备的半导体量子阱激光器由于有源区量子阱的宽度只有10 nm左右，量子限制效应导致的能态密度变化使器件的阈值电流密度大大降低，室温连续工作模式下只有几百A/cm ，最低甚至可以达到约40 A/cm 。这极大地提高了器件的性能，拓宽了器件的应用领域，使量子阱激光器成为目前半导体激光器市场的主流产品。目前代表性的器件包括用于泵浦YAG激光器的808 nm大功率半导体量子阱激光器，用于光纤通信的1.3μm，1.55 μm量子阱激光器。用于泵浦掺Er光纤放大器的980 nm量子阱激光器等。
半导体量子阱激光器
半导体量子阱激光器的模拟要比微电子器件的模拟复杂得多，主要体现在以下几个方面：
一、器件描述
描述系统要首先给出横向和纵向的大致轮廓，对于横向，要给出每一层的参数，如长度、宽度、厚度、位置、掺杂浓度、材料体系及组分，还要指出欧姆接触、肖特基接触、自由边界、有源区位置及光限制位置；对于纵向，要给出端面反射情况，相移位置及大小、光栅参数、耦合系数、腔长及用于传递矩阵分析的纵向剖分情况，纵向描述是完全有别于微电子器件的。
二、非线性耦合方程组自洽求解
量子阱激光器模拟所应用的理论模型，包括泊松方程，电子空穴连续性方程、热传导方程、波动方程、光子速率方程及薛定谔方程，这些方程都是非线性的，通过电势、准费米能级、载流子密度和光子密度耦合在一起。求解起来不但复杂，而且还耗费时间，首先要全部线性化，然后再建立自洽迭代系统，是否收敛与初值关系密切，不合适的初值还会导致溢出错误，中断求解过程。
三、能带工程的引入
设计高性能的半导体激光器，特别是低阈值高微分增益应变量子阱激光器，引入能带工程是必需的．能带工程可通过薄层材料组分设计来获得所需发射波长，另外可获取增益系数、状态密度、线宽增强因子、微分增益及量子化能级等重要参数。能带工程还可以定量分析压应变及张应变对能带结构的影响及价带耦合效应，精确的能带分析还需要能带不连续性的计算。