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/77597007.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)
等。工作物质的结构也可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。其从激励方式上来说，则又有电注入、电子束激励和光泵浦三种。总之，我们根据诸如光纤等具体应用的特定需求，可根据以上分类方法量身定制激光器。
半导体激光器具有许多突出的优点：包括转换效率高、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。所以，其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器无法比拟的。但是，由于一些特殊应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。 1.3量子阱半导体激光器的提出
量子阱结构的提出源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥关于超薄层晶体的量子
尺寸效应的研究。他们发现，当超薄有源层材料晶
格尺度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，其两侧的宽禁带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动时将出现量子化特点。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，逐步形
成针对应变量子阱结构研究和应用的新领域。
80年代，量子阱结构在激光器上的使用，使半
导体激光器在性能上出现了大的飞跃。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、
激射波长短等优点。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。
1. 4量子阱激光器的发展历程 量子阱半导体激光器的发展历程大致包括几
个重要科研成果的诞生。1976年，人们用
GaInAsP/InP 实现了长波长激光器。关于该激光腔
的结构，Kogelnik 和Shank 提出了分布反馈的模式，
主要为以单片形式形成谐振腔。Nakamura 用实验证
明了光泵浦的GaAs 材料形成的分布反馈激光器
(DBR)的可行性。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，人们提出了面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。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第一次研制成功，并在此基础上提出了微带超晶格红外激光器的理论构架。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进入议程。
2．量子阱半导体激光器的原理
2.1量子阱及其能带结构
量子阱是指由窄禁带系超薄层被夹在两个宽
带系超薄层之间排列而形成的，具有明显量子限制
效应的电子或空穴的势阱。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越函数之间耦合
很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为
多量子阱。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，
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。
量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平
均自由程内，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱
中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。
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，其阶梯状能带允许注
入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内
载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高
于一般体材料激光器。
2.2半导体激光器的原理及限制 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。首先，必须建立起激射媒质(有源区)
内载流子的反转分布。在半
导体中要实现粒子数反转，必须使两个能带区域之间，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，这以给同质结或异质结加正向偏压，或向有源层内注人必要的载流子来实现。其目的为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。
其次，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，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。
最后，提供足够大的增益，不断增加腔内的光场，以弥补谐振腔的光损耗及腔面的激光输出等损耗。为满足上述一点，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，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。相比之下，量子阱结构的半导体具有超宽带的特点，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。因此，对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。
2.3量子阱半导体激光器的结构
直腔面发射LD在量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为边发射LD和垂直腔面发射LD。
垂直腔面发射LD为光垂直于结平面的方向输出。垂直腔是指激光腔的方向，即光子振动方向垂直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到放大。由于有源层厚度很小，要想实现低阈值的激光振荡，要求要有高增益系数的有源层介质，即采用量子阱材料。另外，还需要有高的腔面反射率。而提高腔面反射率的方法是在腔面镀高反膜，但是难度较大。
激光器工作时，腔内形成稳定的驻波场，须使有源区与腔内驻波场有最大的重叠，同时适当增加腔长以有利于增加基模直径，从而提高输出功率。因此，有源层应与驻波场中心峰值强度对应的λ/4n范围有最大的重叠，在此范围内生长多量子阱结构有利于获得更大的功率输出。另外，要有高的输出功率，须有高的功率效率，即要有高的微分量子效率，有远大于阈值的工作电流。
若腔长为波长λ量级，则激光器将出现由自发辐射所控制的新的效应。自发辐射因子的增加，将产生更多的受激发射“种子”，从而导致阈值电流下降。若在阈值电流以上，在给定注入速率下注入的载流子寿命依阈值电流的降低而等比率的减少，从而能使调制带宽增加。
2.4 量子阱半导体激光器工作物质的制备
衬底出光的 InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应变量子阱组成 , InGaAs 量子阱宽为 8nm , GaAs 势垒宽为 10 nm，三个量子阱被上、下AlGaAs限制层包围构成为一个波长的谐振腔。其中p 型反射镜为 38. 5周期(掺杂C ),n 型反射镜为28. 5周期(掺杂 Si)，n型反射镜的对数比p型反射镜对数少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形成衬底出光型器件。在p型分布的布拉格反射镜与有源区之间加入一层由Al组分的As层,厚度为 30 nm ,此层在器件的工艺过程中将被氧化为 AlxOy 绝缘层，形成电流注入窗口,起到电流限制作用。器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在 GaAs衬底(掺杂Si )上外延生长获得。
工艺过程中 ,采用化学湿法腐蚀法 ,腐蚀出
直径为350μm的圆形台, 腐蚀深度以露出
Al0.98Ga0.02As层为宜，之后把器件置于高温(420℃)湿氮环下对Al0.98Ga0.02As 层进行氧化处理 ,转化
为 AlxOy 绝缘层,形成300μm直径的电流注入窗口。之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处理，减薄到大约 150μm左右，以减少衬底对器件的串联电阻的贡献。在P型分布的布拉格反射镜侧做大面积的Ti-Pt-Au 金属接触。在n型GaAs衬底上蒸发制作Si/ SiO2增透膜膜系，以提高输出光功率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底侧的n型金属接触层。最后由快速热退火炉进行合金退火处理。整个器件结构由In焊料( In焊料为软焊料 ,可以减少封装过程中引入到外延片的应力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，
用超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装，并对器件特性进行测试。
3．量子阱半导体激光器的原理量子阱半导体激光器的主要应用及进展
量子阱半导体激光器凭借其突出的优点在许多领域得到广泛应用。
3.1 可见光半导体激光器
红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学仪器等方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB半导体光源将对图像及信息处理产生重大影响。
目前，红光半导体激光器已逐渐取代传统的气体激光器, 例如，InGaAlP材料的红光应变量子阱激光器已经实现了产品化。随着其性能的不断提高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。
蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作工艺等原因。
3.2光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器
作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器除具有半导体激光器的体积小，价格低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，低的阈值电流，引入光栅进行分布反馈等特点，其已然成为目前高速通信中最为理想的光源。
作为EDFA的泵浦源，980nm低阈值大功率AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs，等应变量子阱激光器相继研制成功，且可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。
应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由。此外，还希望用其作为光传输系统中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。
大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。4．量子阱半导体激光器的未来及展望
目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶段，许多问题值得我们继续思考：如，半导体激光器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高材料的制作工艺等。
从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及以其他半导体器件集成的能力强等特点成为信息技术的关键器件。并随着其发展，在材料加工、精密测量、军事、生物、医学等领域显示出巨大潜力。量子阱半导体激光器也将是光子集成和光电子集成的核心器件。
随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制作工艺的不断涌现，量子阱半导体激光器的性能将得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景将更加光明。
参考文献：
[1] 王绍民，赵道木，吕章德，周国泉，黄富泉，徐锦心.量子阱半导体激光器的光束质量[J].光子学报，
2001,30(4):483~486
[2] Fang Gaozhan, Xiao Jianwei, Ma Xiaoyu, Feng Xiaoming, Wang Xiaowei, L iu Yuanyuan,Liu Bin,Tan Manqing and Lan Yongsheng. High Power 808nm
AlGaAs/GaAs Quantum Well Laser Diodes with Broad Waveguide[J].半导体学报，2002,23(8):809~812 ,
[3] 毛陆虹,郭维廉,陈弘达,吴荣汉.量子阱半导体激光器调制特性和噪声的电路模拟[J].通信学
报,2001,22(1):38~42
[4] 晏长岭,宁永强,秦莉,张淑敏,赵路民.高功率InGaAs 量子阱垂直腔面发射激光器的研制
[J].2004,33(9):1029~1031
[5] 江剑平半导体光电子学电子工业出版社 2000
[6] 黄德修半导体器件及其应用国防工业出版社1999
[7] Peter S.Zory,Jr. Quantum Well Lasers Published by Academic Press 1993
[8] J. Jiang Liu, Member, IEEE, Brian Riely, Paul H. Shen, Senior Member, IEEE,etc.Ultralow-Threshold Sapphire Substrate-Bonded Top-Emitting 850-nm VCSEL
Array
1234 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14, NO. 9, SEPTEMBER 2002
[9] Janice A. Hudgings, Sui F. Lim, Gabriel S. Li, Student Member, IEEE.etc Compact, Integrated Optical Disk Readout Head Using aNovelBistableVertical-Cavity Surface-Emitting Laser. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 11, NO. 2, FEBRUARY 1999 24
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
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/77597007.html, 量子点的制备及应用进展 作者：于潇张雪萍王才富倪柳松等 来源：《科技视界》2013年第29期 【摘要】本文分别从量子点的概念、特性、制备方法、表面修饰等方面对量子点进行了 描述及讨论，在此基础上，对量子点在生物传感器方面的应用进行了，最后分析了量子点生物传感器的存在的问题，对其未来发展趋势进行了展望。 【关键词】量子点；光学；生物传感器 量子点主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗粒，又称半导体纳米晶体。由于发生结构和性质发生宏观到微观的转变，其拥有独特的光、电、声、磁、催化效应，因此成为一类比较特殊的纳米材料。国内外关于量子点传感器的研究非常广泛，例如在生命科学领域，可以用于基于荧光共振能量转移原理的荧光探针检测，可以用于荧光成像，生物芯片等；在半导体器件领域，量子点可以用于激光器，发光二极管、LED等。本文对量子点 的制备方法和应用领域及前景进行了初步讨论。 1 量子点的基本特性及其制备方法 1.1 量子点的特性及优势 量子点的基本特性有：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应，除此之外，量子点具有一些独特的光学效应，这使得量子点较传统的荧光染料用来标记生物探针具有以下优势： （1）量子点具有宽的激发光谱范围，可以用波长短于发射光的光激发，产生窄而对称的发射光谱，避免了相邻探测通道之间的干扰。 （2）量子点可以“调色”，即通过调节同一组分粒径的大小或改变量子点的组成，使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。尺寸越小，发射光的波长越小。 （3）量子点的稳定性好，抗漂白能力强，荧光强度强，具有较高的发光效率。半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料，可以对核心进行保护和提高发光效率，从而进一步提高光稳定性。正是由于量子点具有以上特性使其在生物识别及检测中具有潜在的应用前景，有望成为一类新型的生化探针和传感器的能量供体，因此备受关注。 1.2 量子点的制备方法 根据原料的不同分为无机合成路线和金属-有机物合成路线，两种合成方法各有利弊。
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 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。量子阱的最基本特征是，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波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 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波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。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。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[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
. 半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能 级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表 示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K 空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
. 对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加 量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子 化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合 ,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用 ,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺 陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生 成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整 的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效 地直接复合发光。
半导体超晶格 材料的制造、设计是以固体能带结构的量子力学理论为基础的，也 就是说，人为地改变晶体的周期势，做出具有新功能的人工超晶格 结构材料。半导体超晶格材料具有一般半导体材料不能实现的许 多新现象，可以说是超薄膜晶体制备技术，量子物理和材料设计理 论相结合而出现的第三种类的半导体材料。利用这种材料，不仅可 以显著提高场效应晶体管和半导体激光器等的性能，也可以制备 至今还没有的功能更优异的新器件和发现更多的新物理现象，使 半导体器件的设计和制造由原来的“杂质工程”发展到“能带工 程”。因此，半导体超晶格是属于高科技范畴的新型功能材料。 电子亲和势是指元素的气态原子得到一个电子时放出的能量，叫做电子亲和势。（曾用名：电子亲和能EA）单位是kJ/mol或eV。电子亲和势的常用符号恰好同热力学惯用符号相反。热力学上把放出能量取为负值，例如，氟原子F（g）+e→F-（g），△H=-322kJ/mol。而氟的电子亲和势（EA）被定义为322kJ/mol。为此，有人建议元素的电子亲和势是指从它的气态阴离子分离出一个电子所吸收的能量。于是，氟离子F-（g）-e→F（g），△H＝322kJ/mol。两者所用符号就趋于统一。可以认为，原子的电子亲和势在数值上跟它的阴离子的电离能相同。根据电子亲和势数据可以判断原子得失电子的难易。非金属元素一般具有较大的电子亲合势，它比金属元素容易得到电子。电子亲和势由实验测定，但目前还不能精确地测得大多数元素的电子亲和势。元素的电子亲和势变化的一般规律是：在同一周期中，随着原子序数的增大，元素的电子亲和势一般趋于增大，即原子结合电子的倾向增强，或它的阴离子失去电子的能力减弱。在同一族中，元素的电子亲合势没有明显的变化规律。当元素原子的电子排布呈现稳定的s2、p3、p6构型时，EA值趋于减小，甚至ⅡA族和零族元素的EA都是负值，这表明它们结合电子十分困难。在常见氧化物和硫化物中含有-2价阴离子。从O-（g）或S-（g）结合第二个电子而变成O2-（g）或S2-（g）时，要受到明显的斥力，所以这类变化是吸热的。即O-（g）+e→O2-（g），△H＝780kJ/mol；S-（g）+e→S2-（g），△H＝590kJ/mol。这些能量能从形成氧化物或硫化物晶体时放出的晶格能得到补偿。 电子亲和势与原子失去电子需消耗一定的能量正好相反，电子亲和势是指原子获得电子所放出的能量。 元素的一个气态原子在基态时获得一个电子成为气态的负一价离子所放出的能量，称为该元素的第一电子亲和势(First electron affinity)。与此类推，也可得到第二、第三电子亲和 势。第一电子亲和势用符号“E”表示，单位为kJ·mol·L，如： Cl(g) +e → Cl(g)E= +348.7 kJ·mol·L 大多数元素的第一电子亲和势都是正值（放出能量），也有的元素为负值（吸收能量）。这说明这种元素的原子获得电子成为负离子时比较困难，如： O(g) +e → O(g)E= +141 kJ·mol·L O(g) +e → O(g)E= -780 kJ·mol·L 这是因为，负离子获得电子是一个强制过程，很困难须消耗很大能量。
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
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
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.
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。
本科生毕业论文（设计）册 学院汇华学院 专业物理学 班级2007级 学生侯敏娟 指导教师李玉现
河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书 编号： 论文（设计）题目：半导体超晶格的隧穿特性 学院：专业：物理学班级： 学生姓名：学号： 2 指导教师：职称： 1、论文（设计）研究目标及主要任务 研究目标：提高学生个人的调研能力，锻炼语言组织能力，培养对物理学的研究兴趣，了解物理学的发展进程，在实践中达到物理思想的熏陶。 主要任务：简单介绍半导体的概念、分类、应用，重点解释半导体的隧道效应（势垒贯穿），提高对其的认识和了解，明白怎样总结出其微观粒子的波动性及传播过程，激发研究热情并加快其研究进度。 2、论文（设计）的主要内容 早在19世纪三十年代，英国巴拉迪首先发现了半导体之后，半导体行业就开始不断发展，本文首先介绍了半导体是如何被发现的并且有怎样的意义，随着研究的深入，人们发现了半导体的物理结构，随后提出了超晶格概念，超晶格概念的提出使得量子物理的研究量级从埃扩大到纳米，这一现象的发现为量子物理的进程做出了伟大的贡献，随后发现隧道效应，本文主要就隧道效应的推导过程作了详细的计算，并计算出透射系数，透射系数随着势垒的加宽或电压的增大而迅速减小，得出结论：宏观条件下观察不到隧道效应。 3、论文（设计）的基础条件及研究路线 基础条件：已经搜集了大量的相关材料，学习了其中与论文题目相关的内容并加以理解。认真整理材料和个人的学习体会，对论文相关内容有了统筹的把握。 研究路线：需在原有材料基础上进行总结归纳，介绍其研究方法并适时加入自己的观点和看法，对有关原理进行必要理论分析，并揭示其研究应用前景，突出研究半导体重要意义。 4、主要参考文献 1、周世勋．量子力学教程[M]，北京：高等教育出版社，2009：34-44 2、杨福家．原子物理学[M]，高等教育出版社，2000：106-110． 3、黄昆．固体物理学[M]，高等教育出版社，2001：325-351． 5 指导教师：年月日 教研室主任：年月日
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/77597007.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)
半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。
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