量子阱半导体激光器的结构
物理与电子工程学院物理学（师范）专业2008级
摘要：本文介绍了量子阱的基本概念，分别讨论了方势阱量子阱、阶梯型量子阱、渐变量子阱、多量子阱及应变量子阱等几种常用的量子阱的结构及其特点，并在此基础之上，分析讨论了量子阱半导体激光器的结构及特点。
关键词：半导体激光器；量子阱；结构；特点
Abstract:This paper introduces the basic concept of quantum well .Discussed party potential trap quantum well, ladder type quantum well, gradual change quantum well, many quantum well and strain quantum well some commonly used such as quantum well structure and characteristics. Based on this, it analysises about the quantum well semiconductor laser structure and the characteristic.
Key words: semiconductor lasers; quantum well; structure; characteristics
1引言
1962年后期，美国研制成功GaA s同质结半导体激光器。1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。
80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应
变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。
为了实现产生相干光的振荡器，半导体激光器也必须在光放大器上加上反馈,产生谐振。当谐振波长的有效增益值满足条件，就能够形成激光震荡[1]。量子阱激光器能够得到扩大震荡波长区域、降低震荡阈值电流、扩大调制带宽、降低噪声、增高频谱纯度等显著的成果。QW激光器需要高水平的设计与制作技术，是一种尖端的光电子器件，已经由许多商品供应了。可以期待作为重要的半导体激光器今后会取得更进一步的发展。
2量子阱的概念
量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱[2]。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状[3]。对于量子阱非线性光学的研究集中于两个方面，一个是价带到导带跃迁;另一种是价带或导带内子带间跃迁。如图所示，这两种跃迁均可以通过改变组分、外场等来实现跃迁波长的协调。
图2-1 半导体量子阱带间和子带间跃迁示意图
3几种常用的量子阱结构及其特点
把量子阱作为有源层就能实现量子阱激光器，它的特性与通常的DH激光器有所不同。仅简单的把DH激光器的有源层做薄，并做成SQW或MQW结构，由于与光波长相比QW层厚度较薄的缘故，光波限制减弱，对波导光的有限增益变小，所以不能实现高性能的激光器。另外，由于MQW结构具有许多异质结面，不容易获得较高的载流子注入效率；由于QW的厚度薄，产生注入载流子泄露，降低了有效地载流子注入效率。为了解决这些问题。用图所示的各种改良结构，来实现量子阱激光器。在限制载流子的QW有源层外侧，设置光波限制用的折射率结构。这是一种分类限制异质结结构及其变形[3]。
3.1 方势阱量子阱
最基本的半导体异质结量子结构是方势阱结构，即半导体极薄层被带隙大的半导体层夹住的结构该结构如图所示，把薄膜区称为阱，夹着阱的层称为势垒。
方量子阱分为对称方量子阱、不对称方量子阱。通常人们研究的量子阱是对称的，即势阱两侧的势垒高度是相同的. 对称量子阱中的电子、电子-声子的相互作用以及激子、激子-声子的研究取得了很多重要的成果. 人们用连介质模、LLP( Lee-Low-Pines)变换研究了对称方势阱中的电子-声子相互作用，得到了电子-声子的基态能量等特性;
采用变分法计算了对称方势阱中的激子结合能. 在变分法的基础上，He用分数维模型研究了各向异性体材料中的万尼尔激子性质，随后，分数维方法被广泛应用于讨论低维系统的激子态，得到了令人满意的结果，近年来还被用于研究极化子问题,在对称量子阱中，系统的很多参量，例如粒子的约化质量、运动的受限长度、分布概率具有相应的对称性，研究过程和结果相对简单. 在实际的器件应用中，往往面临非对称量子阱的问题。对于非对称方势阱，随着一侧势垒的降低，分数维增大. 计算得到的量子阱中的激子基态能量及声子对其影响如下:随着势阱宽度增加，激子能量先减小后增大，出现一个最小值;当阱宽固定时，激子能量随着一侧势垒高度的减小而增大. 分析显示声子影响使激子的能量显著增大，且这个变化随阱宽的减小出现一个最大值. 非对称方势阱中的激子结合能随阱宽的减小而单调增大;对于相同的阱宽，随一侧势垒的增大，其随着分数维的减小而相应增大[4]。
（1）不对称方量子阱（2）对称方量子阱
图3-1 方量子阱结构示意图
3.2 阶梯型量子阱
阶梯量子阱相对于普通的方形量子阱具有对称性人工破缺的特点不同能级波函数
空间分布有较大的区别，以此为基础，在合适的参数选择下，可以在阶梯量子阱结构中实现Stark位移比方阱大两倍左右的结果[5]。
图3-2 变形单量子阱（MSQW）结构示意图
3.3 渐变型量子阱
渐变方式对量子阱激光器电流注入效率有很大的影响。在量子阱激光器中采用分别限制结构层( separate confine heterostucture, SCH )是比较成熟的方法, 可以加强光波导约束从而提高光增益, 解决了薄的有源层限制光波困难问题. 但在激光器中引入较长的SCH层也带来其它的一些问题, 如引起调制响应下降、电流注入效率变小等, 我们可以把器件的电流注入效率定义为注入到有源区的电流量与注入到激光器的总电流量的比值, 这是一个能影响激光器的基本特性如阈值电流的重要参量. 一般来说, 器件的注入效率主要由2个因素来决定, 一是电子驰豫进入阱中的速率与在此之前发生直接复合速率两者比值的大小, 其次是在阱中发生的直接复合速率与其它结构层(主要是SCH 层)中直接复合速率的比例大小. 驰豫速率也就是阱对载流子的捕获时间, 捕获时间( 10- 100 ps)比复合时间( 1-10 ns)要小得多, 基于这一点, 认为载流子应该按准费米能级基本上是均衡分布的, 因此电流注入效率主要是由第2个因素来决定. 相对于突变方式而言, 渐变方式能拉平异质结的尖峰, 而且能形成有利于载流子加速的内建电场,使阱能更快地收集注入的载流子, 所以可以肯定采用渐变SCH 结构比阶跃形( step)有更大的电流注入效率[6]。
图3-3 渐变型量子阱结构示意图
3.4 多量子阱
在许多个QW堆积起来的结构中，势垒比较厚，能够忽略阱之间耦合的结构称为多量子阱（MQW）。对于InGaN/GaN多量子阱结构，阱宽和垒厚对的光电子学特性有很大的影响。随着阱宽和垒厚的增加,InGaN/GaN多量子阱结构的辐射峰值波长出现一定程度的红移,辐射强度也有所降低。极化效应产生的极化电场能够减小InGaN/GaN多量子阱结构导带和价带间的带隙宽度,并使电子和空穴的分布产生空间分离。与不考虑极化效应的结果对比得出,在极化效应的影响下,InGaN/GaN多量子阱结构的光电子学特性对阱宽和垒厚的依赖性增强[7]。
（1）（2）
图3-4 多量子阱（MQW）结构示意图
3.5 应变量子阱
含有量子阱的DH结构，通常油晶格匹配的半导体合金相互组合而构成，但是及时纳米以下的薄量子阱，也可以由与周围势垒的晶格不匹配的晶体组成。阱的晶格常数比势垒的晶格常数大时，成为具有压应变的应变量子阱经；与此相反，成为具有张应变的应变量子阱。典型的例子是InGaAs阱/GaAs势垒以及InGaAs阱/InP势垒，前者为压应变型，后者按照组分可以实现两种变形。这样的应变使量子阱的能到变形，所以根据适当的设计就能都改善半导体激光器的性能，获得有用的特性[8]。
（1）无应变（2）压应变（3）张应变
图3-5 应变量子阱
最重要的应变效应是空穴的有限质量减少，与此同时价带的曲率增大。压应变与张应变都显示出这个倾向，但前者更为显著。在应变量子阱中，如图2、3所示，导带与价带的平衡得到改善，在同一带间产生准费米能级差所需要的载流子密度变小，反转分布所需要的载流子密度就减少。因此降低了透明化密度，同时也增大了微分增益，由适当的设计可以获得改善率达到2的显著效果。在没有应变的半导体内，重空穴带与轻空穴带顶端是简并的，但加上应变，如图2、3所示，在压应变时重空穴带的顶端，在张应变是轻空穴带的顶端成为价带的顶端。由这个能带结构可知，在压应变时电子-重空穴间（E-HH）的跃迁、张应变时电子-轻空穴（E-LH）间的跃迁成为主要的跃迁。因为HE-H 跃迁对TE波的放大有贡献，E-LH跃迁对TM波的放大有贡献，因此给以适当的应变，能够控制放大特性的偏振关系[9]。
4量子阱激光器的特点及其结构
同常规的激光器相比，量子阱激光器具有以下特点：
1、在量子阱中，态密度呈阶梯状分布，量子阱中首先是E1c和E1v之间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量hv＝E1c－E1v＞Eg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长就小于其所对应的波长，即出现了波长蓝移。
2、在量子阱激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之间。这是两个能级之间的电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近的电子和价带顶附近的空穴参与的辐射复合，因而量子阱激光器光谱的线宽明显地变窄了。
3、在量子阱激光器中，由于势阱宽度Lx通常小于电子和空穴的扩散长度Le和Ln，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大大提高，甚至可高达两个数量级。
4、量子阱使激光器的温度稳定条件大为改善，AlGaIn As量子阱激光器的特征温度马可达150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要。
图4-1 半导体量子阱能级结构示意图，△Ec和△Ev为导带和价带的带隙差
半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器
和光放大器的总称。最初实现激射的注入型激光器是由单一结晶材料GaAs制成的PN 结，即同质结构二极管。为了满足激射条件需要非常大的注入电流密度（>50kA/cm2）,因此只限于低温脉冲震荡。为了获得温室连续激射等使用性能，随后开发的是双异质结结构（DH）激光器。DH结构是在GaAS衬底上用多层结晶生长法制成，激光活性材料GaAs的厚度约为0.1um，两侧被AlGaAs层夹着，形成了两个不同材料间的结，而AlGaAs 的带隙能量比GaAs的大，GaAs层称为有源层，AlGaAs层称为包覆层，两侧的包覆层分别参杂形成P型与N型。将半导体晶体做成的DH结构与衬底一起劈开，形成一对与有源层垂直的端面。这个半导体与空气的边界对于波导模的光波成为反射面，起着反馈的作用。因为半导体的折射率高，在端面可以得到35%的反射率。这种结构与两面镜子相对而构成的法布里-珀罗光谐振器相类似，称这个激光器为法布里-珀罗（FP）激光器。
DH结构激光器的有源层的厚度约为0.1μm（10nm），这个波长比电子波波长大得多，有源层离得载流子可以作为粒子来处理。有源层厚度在10nm以下时，这个厚度与电子波波长成为同一数量级的值，载流子波动性的量子论特性就显示出来了[10]。有源层与周围的包覆层形成宽度很窄的阱状势垒，电子和空穴作为满足薛定谔方程式与边界条件的波动被限制在这个量子阱（QW）中。出现了与通常DH结构不同的增益频谱和偏振关系，适当的设计量子阱，在激光器的高性能上能够实现有效的发光特性。
5小结
本文首先对量子阱进行了定义，再对量子阱激光器的特点给予了定性的分析。方形量子阱、阶梯型量子阱、渐变量子阱、多量子阱及应变量子阱各有其特点和优势。适当的设计量子阱，在激光器的高性能上能够实现有效的发光特性。
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有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告 xxx （xxxxxxxxxxxxxxx） 摘要：异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值。 关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦 About double heterostructure lasers andreport on the basis of quantum well laser xxx (xxxx) Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development. Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers; Quantum well laser; pump 0 引言 双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料供我们查看和研究，这些惊人的成就给我的生活带来的巨大的改变，我们作为新一代的基础人员，有义务去发展，将这些激光器的研究壮大和深入。 1 双异质结基本结构 双异质结基本结构是将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm的半导体激光器在室温下能连续工作。图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注进有源区。它们在该区的扩散又分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。同时，窄带隙具有源区有高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。 异质结激光器激光器的供应商是半导体半导体的供应商激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤光纤的供应商通信及网络技术成为现实并迅速发
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量子阱半导体激光器 ：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但 这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光 器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围 广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、 应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光 器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料 后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电 子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完
全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变 化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力， 其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器 (DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、 寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔 结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
第26卷 第12期2005年12月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.12 Dec.,2005 2005206216收到,2005207221定稿 Ζ2005中国电子学会 大功率宽面808nm G aAsP/Al G aAs 量子阱激光器 分别限制结构设计 王 俊 马骁宇 林 涛 郑 凯 冯小明 (中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心,北京 100083) 摘要:本文对有源区条宽100 μm 的GaAsP/Al G aAs 808nm 量子阱激光器分别限制结构进行了理论分析和设计.选取了三种情况的波导层和限制层的铝组分,分别计算和分析了波导层厚度与激光器光限制因子、最大出光功率、垂直发散角和阈值电流密度的函数关系.根据计算结果可知:当波导层和限制层铝组分为014和015时,采用窄波导结构可以获得器件的最大输出功率为1112W ,发散角为19°,阈值电流密度为266A/cm 2;采用宽波导结构可以得到器件的最大输出功率为914W ,发散角为32°,阈值电流密度为239A/cm 2. 关键词:大功率808nm 半导体激光器;G aAsP/Al GaAs 量子阱激光器;分别限制异质结构 PACC :4255P ;4260B EEACC :4320J 中图分类号:TN248.4 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)1222449206 1 引言 大功率808nm 半导体量子阱激光器被广泛应用于泵浦固体激光器、激光加工和激光医疗等领域.由于实际应用要求激光器的功率越来越大,人们采用各种材料和结构来提高激光器的功率.从外延片的材料和结构上看,有匹配量子阱和应变量子阱结构,含铝结构和无铝结构以及大光腔结构等[1,2].一般对808nm 半导体量子阱激光器而言,限制其输出光功率的主要因素有:高输出光功率密度引起的腔面光学灾变损伤;各种载流子非辐射复合和漏电流引起的有源区和腔面温升[3]. 由于Al GaAs 和GaAs 材料的外延技术成熟,Al GaAs/GaAs 量子阱结构是大功率808nm 半导体 量子阱激光器常用的结构.但是,由于含铝有源区容易氧化和产生暗线缺陷,腔面光学灾变功率密度不高,从而限制了激光器的功率和寿命 [4] .与含铝材料 相比,无铝材料具有高的腔面光学灾变功率密度、热导率和电导率,且不易氧化,因而有利于提高器件功率和可靠性[5].对于全无铝材料结构,虽然具有上述优点,但是由于量子阱层与垒和上限制层形成异质结的导带带阶较小,会造成较强的载流子泄漏,从而 导致阈值电流密度增加,外量子效率下降,温度特性 变差[6].因此,人们提出采用无铝材料作为有源区,而波导层和限制层采用导带带阶较大的含铝材料,如GaAsP/Al GaAs 结构.这种量子阱有源区结构具有无铝材料的优点,且量子阱层与波导层和上限制层的较大导带带阶能够有效减小漏电流,降低阈值电流密度,改善激光器温度特性.另外,GaAsP/Al 2GaAs 张应变量子阱在端面的驰豫形成非吸收窗 口,能够减少端面对光子的吸收[7]. Erbert [8]研究了GaAsP/Al GaAs 大光腔结构 量子阱激光器.在激射波长715nm 至840nm 范围内,他们获得了高的输出功率和转换效率.Sebas 2tian [9]研究了大光腔结构810nm GaAsP/Al GaAs 激光器,也得到了高的输出功率和良好的光束特性.但是到目前为止,还没有研究人员从理论上对GaAsP/Al GaAs 量子阱激光器进行分析和设计.本 文从理论上对GaAsP/Al GaAs 分别限制结构量子阱激光器进行了分析.对一定的波导层和限制层铝 组分,采用窄波导结构可以获得条宽100 μm 器件的最大输出功率为1112W ,发散角为19°,阈值电流密度为266A/cm 2;采用宽波导结构可以得到器件的最大输出功率为914W ,发散角为32°,阈值电流密度为239A/cm 2.
自组装InAs GaAs 量子点材料和量子点激光器 * 王占国 刘峰奇 梁基本 徐 波 (中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083)摘要 利用分子束外延技术和Stranski _Krastanow 生长模式,系统研究了In(Ga)As Ga As,InAlAs AlGaAs Ga As,In(Ga)As InAlAs InP 材料体系应变自组装量子点的形成和演化.通过调节实验条件,可以对量子点的空间排列及有序性进行控制,并实现了InP 衬底上量子点向量子线的渡越.研制出激射波长 =960nm,条宽100 m,腔长800 m 的InAs GaAs 量子点激光器,室温连续输出功率大于1W,室温阈值电流密度218A c m 2 ,0.53W 室温连续工作寿命超过3000h. 关键词 量子点 空间有序 量子点激光器新型固态电子、光电子器件的发展依赖于半导体低维量子结构材料的发展.人们在追求更新、更小、性能更优越的量子器件的研究中发现,为了更好地按需对材料(及相应的器件)进行人工剪裁,仅在一个维度上对载流子实现限制常常是不够的.如在侧向共振隧穿器件、单电子输运以及量子干涉器件等,都要求对载流子在侧向实现限制.这要求在二个或三个维度上对载流子实现量子限制而构成一维量子线或零维量子点. 初期量子点的制备是利用光刻技术在二维异质结构材料上形成图案,通过湿法或干法刻蚀得到纳米尺寸的三维限制结构.由于该方法制备的量子点横向尺寸远比纵向尺寸大,界面损伤严重,致使相关器件的研制进展缓慢.后来,人们借助于图形衬底上的外延、解理面二次外延等方法制备量子线、量子点,但该类方法的缺点是难以制备高密度的低维结构材料,且存在严重的质量退化.近几年来,利用Stranski Krastano w (S K)应变自组织生长模式原位生长量子点取得突破性进展.类似于水蒸气在玻璃片上凝结成小水珠,在MB E 或MOC VD 外延高应变材料S K 生长模式的过程中,外延生长最初是二维层状生长,随着外延层厚度的增加产生应变积累,导致在临界厚度时外延层由层状生长转变为岛状生长以便降低系统能量(岛状结构通过弹性形变释放应力),形成了纳米量级尺寸均匀的无位错小岛.这种自发形成的小岛被用于半导体自组装量子点结构材料[1~3],它在大功率半导体激光器、光纤通讯以及光计算等方面有着广泛的应用前景.理论预言量子点激光器与量子阱激光器相比,具有更低的阈值电流密度,更高的特征温度,更高的微分增益和更宽的调制带宽[4].目前,人们已经实现In(Ga)As GaAs 量子点激光器的室温连续激射,在降低阈值电流方面已取得了很大进展,多层耦合In(Ga)As GaAs 量子点激光器的阈值电流密度已降至60A cm 2[3],然而在提高量子点激光器输出功率方 1999 09 01收稿,2000 02 03收修改稿 *国家自然科学基金资助项目(批准号:69736010)第30卷 第7期中国科学(A 辑) SCIENCE IN CHINA (Series A)2000年7月
上海大学2016～2017 学年秋季学期研究生课程考试 （论文） 课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911 论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述 研究生姓名: 陈卓学号: 16722180 论文评语: （选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处） 任课教师: 张兆春评阅日期: 课程考核成绩
量子阱及量子阱半导体激光器简述 陈卓 （上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。[4] 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 二、量子阱的结构与特性 1、态密度、量子尺寸效应与能带 量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。
量子点激光器 量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料，量子点的尺寸一般在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”。 在一般块材料中，电子的波长远小于块材料尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点。 图1一般块材料、量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图 量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵浦源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构如下图所示。 图2量子点激光器示意图
对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ函数的形式，即 ρ3D(E)=∑δ(E-E i) 其中Ei是体系的能量可取值，可表示为 由此可以得出量子点的能态为分离线，如下图所示。 图3量子点能级图 量子点有源区的高能态和基态的能级间距△足够大(即满足△E>>kBT)，器件的阈值电流密度对温度的依赖就会完全消失；量子点中态密度函数的尖锐化，也使得其峰值增益变窄。 同常规的激光器相比，由于有源区为量子结构，器件特性便具有下列新特点：(1)态密度线状分布，导带中第一个电子能级E1c。高于原价带中第一个空穴能级E1，低于原价带顶Ev，因此有E1c-E1v>Eg，所产生的光子能量大于材料的禁带宽度．相应地，其发射波长出现了蓝移。 (2)量子激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之问，这是两个能级之间电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复合，因而量子激光器的光谱的线宽明显地变窄了。 (3)在量子激光器中，由于尺寸通常小于电子和空穴的扩散长度，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大为提高，甚至可高达两个数量级． 早在80年代初，理论就已预言量子点激光器的性能与量子阶激光器或量于线激光器相比，具有更低的阂值电流密度，更高的特征温度和更高的增益等优越特性。这主要由于在量子点材料中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流子态密度与能量关系为δ函数因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等，极大地改善了材料的性能。因此，不但在基础物理研究方面意义重大，而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景。目前，零维材料
量子阱半导体激光器的原理及应用 刘欣卓（06009406） （东南大学电子科学与工程学院南京 210096） 光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏 置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。 关键词：光电调制器；模拟偏置法；误差 High-speed Optical Modulator Bias Control LIU XinZhuo 2) (06009406) (1)Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096 Abstract: The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control is a proportional integral part of the output of the modulator bias. Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error 作者的个人学术信息： 刘欣卓，1991年，女，南京市。大学本科，电 子科学与工程学院。liuxinzhuo@https://www.doczj.com/doc/e82187544.html,. 1.量子阱半导体激光器的发展历程 1.1激光器研制的现状 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。 为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。 1. 2半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。 半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用 无研01 王增美（025310） 摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。 引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 量子阱和应变量子阱半导体激光器的基本原理 1、半导体超晶格 半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，薄层的厚度与半导体中电子的德布罗意波长（约为10nm ）或电子平均自由程（约为50nm ）有相同量级。这种思想是在1968年Bell 实验室的江崎（Esaki ）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs 半导体上制成了超晶格结构。江崎等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２： 2、 量子阱及量子阱材料的能带结构 图1
量子阱半导体激光器 摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。 二、基本理论 1、量子阱及其能带结构
半导体激光器 半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器的分类 （1）异质结构激光器（2）条形结构激光器（3）AIGaAs/GaAs激光器（4）InGaAsP/InP激光器（5）可见光激光器（6）远红外激光器（7）动态单模激光器（8）分布反馈激光器（9）量子阱激光器（10）表面发射激光器（11）微腔激光器 半导体激光器 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。 仪器简介
Q-Line纤绿半导体激光器 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓),InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器. 工作原理及特点 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等。 封装技术 技术介绍 半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。 发光部分 半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合
西南交通大学 固体物理课程技术报告 量子阱半导体激光器的介绍及应用 年级: 2009级 学号: 09041124 姓名: 李慧 专业: 通信与信息系统 老师: 潘炜教授
摘要：本文从光子技术的发展入手，首先了介绍了半导体激光器的研究现状及前景，并阐述什么是半导体激光器和量子阱。讲述了半导体激光器的工作原理及优缺点，以及量子阱在半导体中应用——量子阱半导体激光器。 关键词：半导体激光器，量子阱，InGaAs 一、引言 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术的应用领域及前景越来越广阔。在要求极高数据处理速率的一些应用领域,光子器件正逐步取代电子器件得到有效的应用。可以预见,不久的将来光子器件及光子集成线路的重要性不亚于集成电路在当今的地位及作用。近几年来, 半导体激光器, 特别是量子阱激光器和量子点激光器发展迅猛，为了得到阈值电流低、量子效率高、室温工作、短波长、长寿命和光束质量好等高性能的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术[1]。半导体激光器(LD) 特别是量子阱半导体激光器(QWLD) 是光通信和光互连中重要的光源[3]。 为了获得更高的功率，方法之一就是使用宽波导结构，与传统的窄波导结构相比，宽波导结构有很多优势。宽波导结构可以增加横摸宽度，从而导致在一个大的范围内光强有效分布，减少了端面强度，因此输出功率更大[2]。 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。超宽带激光器可在6-8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。 二、半导体激光器的原理及优缺点 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件: （1）增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 （2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-n结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。 （3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在
大学2016～2017 学年秋季学期研究生课程考试 （论文） 课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述 研究生: 卓学号: 16722180 论文评语: （选题文献综述实验方案结论合理性撰写规性不足之处） 任课教师: 兆春评阅日期: 课程考核成绩
量子阱及量子阱半导体激光器简述 卓 （大学材料科学与工程学院电子信息材料系，200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为
科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法