纳米尺度下的神奇应用：LED、激光LD与量子点

2、量子井应用实例

图四（c）为使用多层量子井结构所制作的「量子井激光二极管（Quantum well laser diode）」，科学家称为「垂直共振腔面射型激光（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」，是目前已经量产的商品，外观如图四（d）所示，这种结构普遍应用在光通讯的光源。

图中的激光使用砷化镓晶圆制作，上下均为金属电极，上方连接电池的正极，下方连接电池的负极；中央上下是数十层N型与P型的纳米薄膜，颜色较深的部分代表折射率（Index）较大，颜色较浅的部分代表折射率（Index）较小，这种由许多层不同折射率的薄膜交互排列而成的元器件是非常重要的光学结构，我们称为「布拉格反射层DBR光栅（Grating）」；正中央是纳米薄膜，由于它夹在中央上下的光栅之间，因此形成量子井的结构，称为「量子井发光区」，是激光主要的发光区域，这一层的半导体材料种类决定激光的发光颜色与强度，由于垂直共振腔面射型激光（VCSEL）使用量子井结构，因此可以增加发光效率，具有优良的光电特性。

3、纳米薄膜制备方法

纳米薄膜的制作可以使用单晶或多晶薄膜成长技术，但是使用加热蒸镀、电子束蒸镀、溅镀（Sputter）、 等离子 化学气相沉积（PECVD）等方法得到的纳米薄膜质量不佳，因此目前大多使用制程条件比较严格，成本也比较高的分子束外延（MBE）或有机化学气相沉积（MOCVD）来制作纳米薄膜，分子束外延（MBE）可以在超高真空下将原子「一层一层地」成长在晶圆表面，因此控制得很精准，可以制作单层的纳米薄膜，也可以制作多层的量子井结构。

显示技术 的新王牌：纳米粒子与量子点 

1、LED与LD在发光层上呈现的量子点效应

零维的纳米结构称为「纳米粒子（Nanoparticle）」，泛指颗粒大小（直径）在100nm以下的颗粒，如图五（a）所示，由于半导体材料具有特别的光电特性，因此常见的纳米粒子大多是使用半导体材料制作而成，例如：硅、砷化镓、氮化镓等，具有优越的光电特性，应用在光电科技产业。

当我们利用半导体的纳米薄膜将纳米粒子覆盖起来时，形成「量子点（Quantum dot）」结构，例如：在蓝宝石衬底成长氮化镓底层材料后，氮化铟镓的发光层因为温度变异导致相分离效应，发光层上会呈现出类似富铟（Indium Rich） 的「氮化铟镓」纳米粒子，再成长一层「氮化铝镓或氮化镓」的纳米薄膜覆盖起来，就属于具有富銦量子点的量子井结构。

如图五（b）所示，诺贝尔物理奖得主，也是氮化铟镓蓝光LED发明人中村修二教授认为具有量子点结构的氮化铟镓发光LED或激光LD光电器件具有更好的发光效率。