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奈米薄膜與量子井
❐ 種類與特性
二維的奈米結構稱為「奈米薄膜(Nano thin film)」，泛指厚度在100nm以下的薄膜，如＜圖一(a)＞所示，由於半導體材料具有特別的光電特性，因此常見的奈米薄膜大多是使用半導體材料製作而成，例如：矽、砷化鎵等，具有優越的光電特性，可以應用在光電科技產業。當我們將許多層不同材料的半導體奈米薄膜重疊在一起稱為「量子井(Quantum well)」，例如：在砷化鎵晶圓上分別成長砷化鋁鎵、砷化銦鎵、砷化鋁鎵的奈米薄膜，就屬於量子井結構，如＜圖一(b)＞所示，研究顯示具有量子井結構的雷射元件具有更好的發光效率。
圖一 奈米薄膜與量子井結構示意圖。
❐ 製備方法
奈米薄膜的製作可以使用單晶或多晶薄膜成長技術，但是使用加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍(Sputter)、電漿化學氣相沉積(PECVD)等方法得到的奈米薄膜品質不佳，因此目前大多使用製程條件比較嚴格，成本也比較高的分子束磊晶(MBE)或有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)來製作奈米薄膜，分子束磊晶(MBE)可以在超高真空下將原子「一層一層地」成長在晶圓表面，因此控制得很精準，可以製作單層的奈米薄膜，也可以製作多層的量子井結構。
❐ 應用實例
＜圖二(a)＞為使用多層N型與P型量子井結構所製作的「量子井雷射(Quantum well laser)」，科學家稱為「垂直共振腔面射型雷射(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)」，是目前已經量產的商品，外觀如＜圖二(b)＞所示，應用在光通訊的光源。圖中的雷射使用砷化鎵晶圓製作，上下均為金屬電極，上方連接電池的正極，下方連接電池的負極；中央上下是數十層N型與P型的奈米薄膜，顏色較深的部分代表折射率(Index)較大，顏色較淺的部分代表折射率(Index)較小，這種由許多層不同折射率的薄膜交互排列而成的元件是非常重要的光學結構，我們稱為「光柵(Grating)」；正中央也是奈米薄膜，由於它夾在中央上下的光柵之間，因此形成量子井的結構，稱為「量子井發光區」，是雷射主要的發光區域，這一層的半導體材料種類決定雷射光的發光顏色。
圖二 垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)結構示意圖。
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