量子阱雷射器

量子阱雷射器是有源層非常薄，而產生量子尺寸效應的異質結半導體雷射器。根據有源區內阱的數目可分為單量子阱和多量子阱雷射器。量子阱雷射器在閾值電流、溫度特性、調製特性、偏振特性等方面都顯示出很大的優越性，被譽為理想的半導體雷射器，是光電子器件發展的突破口和方向。

2019年，中國科學家研製出新型銻化物半導體量子阱雷射器。

基本介紹

• 中文名：量子阱雷射器
• 外文名：quantum well laser
• 套用學科：光纖通信技術

歷史

1962年後期，美國研製成功GaAs同質結半導體雷射器，第一代半導體雷射器產生。但這一代雷射器只能在液氮溫度下脈衝工作，無實用價值。直到1967年人們使用液相外延的方法製成了單異質結雷射器，實現了在室溫下脈衝工作的半導體雷射器。1970年，貝爾實驗室有一舉實現了雙異質結構的在室溫下連續工作的半導體雷射器。至此之後，半導體雷射器得到了突飛猛進的發展。半導體雷射器具有許多突出的優點：轉換效率高、覆蓋波段範圍廣、使用壽命長、可直接調製、體積小、重量輕、價格便宜、易集成等。其發展速度之快、套用範圍之廣、潛力之大是其它雷射器所無法比擬的。但是，由於套用的需要，半導體雷射器的性能有待進一步提高。

80年代，量子阱結構的出現使半導體雷射器出現了大的飛躍。量子阱結構源於60年代末期貝爾實驗室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄層晶體的量子尺寸效應。當超薄有源層材料後小於電子的德布羅意波長時，有源區就變成了勢阱區，兩側的寬頻系材料成為勢壘區，電子和空穴沿垂直阱壁方向的運動出現量子化特點。從而使半導體能帶出現了與塊狀半導體完全不同的形狀與結構。在此基礎上，根據需要，通過改變超薄層的應變數使能帶結構發生變化，發展起來了應變數子阱結構。這種所謂“能帶工程”賦予半導體雷射器以新的生命力，其器件性能出現大的飛躍。具有量子阱結構的量子阱半導體雷射器與雙異質結半導體雷射器(DH)相比，具有閾值電流密度低、量子效應好、溫度特性好、輸出功率大、動態特性好、壽命長、激射波長可以更短等等優點。目前，量子阱已成為人們公認的半導體雷射器發展的根本動力。

其發展歷程大概為：1976年，人們用GaInAsP/InP實現了長波長雷射器。對於雷射腔結構，Kogelnik和Shank提出了分布反饋結構，它能以單片形式形成諧振腔。Nakamura用實驗證明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反饋雷射器(DBR)。Suematsu提出了用於光通信的動態單模雷射概念，並用整體雷射器驗證了這種想法。1977年，人們提出了所謂的面發射雷射器，並於1979年做出了第一個器件。目前，垂直腔面發射雷射器(VECSEL)已用於千兆位乙太網的高速網路。自從Nakamura實現了GaInN/GaN藍光雷射器，可見光半導體雷射器在光碟系統中得到了廣泛套用，如CD播放器、DVD系統和高密度光存儲器。1994年，一種具有全新機理的波長可變、可調諧的量子級聯雷射器研製成功，且最近，在此又基礎上提出了微帶超晶格紅外雷射器。另外，具有更好性能的低維超晶格—量子線、量子點雷射器的研究也已經開始。

簡介

一般半導體雷射器有源層厚度約為0.1~0.3μm，當有源層厚度減薄到玻爾半徑或德布羅意波長數量級時，就出現量子尺寸效應，這時載流子被限制在有源層構成的勢阱內，該勢阱稱為量子阱，這導致了自由載流子特性發生重大變化。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個寬頻隙勢壘薄層之間。由一個勢阱構成的量子阱結構為單量子阱，簡稱為SQW（Single Quantum Well）；由多個勢阱構成的量子阱結構為多量子阱，簡稱MQW（Multiple Quantum Well）。量子阱雷射器比起其他半導體雷射器具有更低的閥值，更高的量子效率，極好的溫度特性和極窄的線寬。量子阱雷射器的研製始於1978年，已制出了從可見光到中紅外的各種量子阱雷射器。

工作原理

在普通的雙異質結雷射器中，因為有源區的三維尺寸都遠大於電子平均自由程，因而電子的態密度函式為拋物線型，當載流子被限制在寬度與其德波羅意波長相當或更小的阱中時，則其態密度函式為類似階梯形。如圖1（a）所示，載流子複合躍遷將發生在各量子能級之間，在一般情況下受選擇定則支配。此時注入電子的分布與峰值增益分布如圖1（b）（c）所示。如果不考慮其他因素的影響，載流子運動受限越強，其閾值電流應越低。

結構

通常使用的量子阱雷射器其勢阱和勢壘寬度在l0rnm左右。載流子和光波的橫向限制，則如常規異質結一樣，可採用不同的條形結構（見條形半導體雷射器）。圖2（a）所示的是質子轟擊條形結構的多量子阱雷射器的結構，圖2（b）還表示出了量子阱中的光躍遷。

器件性能

①量子阱材料的光發射波長與阱寬的依賴關係：如忽略阱間耦合併採用無限深勢阱的近似可求得量子能級與阱寬的關係，當阱變小時，電子能級提高，發射光能量也增加。所以量子阱結構是選定材料後實現短波化的主要出路。②低閾值電流密度：從圖1可知，為達到相同的閾增益，則量子阱雷射器有著比普通異質結雷射器低得多的注入電流密度。③閾值電流的溫度關係：半導體雷射器的閾值電流溫度T的關係一般用T0表征，閾值電流密度J與特徵溫度T0的關係為J（T）=J0exp（T/T0）。顯然T0越高，溫度影響越小，而量子阱雷射器有著比通常異質結雷射器高得多的T0。④量子阱雷射器的頻率特性：半導體雷射器的

圖1 量子阱雷射器（一）

圖1 量子阱雷射器（二）

調製頻率為其張弛振盪頻率所限，而後者又受雷射器微分增益的影響，由於量子阱雷射器具有較高且窄的光增益譜，其微分增益係數可為普通異質結雷射器的數倍，從而改善了頻率特性。

兩種類型

利用量子約束在其有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配其受激輻射的半導體雷射器。

量子阱雷射器有兩種類型：量子線雷射器和量子點雷射器。

1. 量子線雷射器

世界上第一隻量子線雷射器樣品是由美國Bellcore公司研製的。這種新型雷射器所需電流，只有目前用於CD唱機上的普通二極體雷射器的十萬分之一。量子線雷射器是通過其“心臟”部分的一個極小的線狀的芯而降電轉化為光的，由於它的工作電流將比以前的雷射器要小得多，故在未來的信息處理裝置中將是非常有用的。量子線雷射器所需激活電流極低，能夠在電路之間起到微型光通訊系統的作用。

2. 量子點雷射器

量子點雷射器的性能與量子階雷射器或量子線雷射器相比，具有更低的閥值電流密度、更高的特徵溫度和更高的增益等優越特性。這主要由於在量子點材料（又稱零維材料）中，載流子在三個運動方向上受到限制，載流於態密度與能量關係為6函式，因而具有許多獨特的物理性質，如量子效應、量子隧穿、非線性光學等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎物理研究方面意義重大，而且在新型量子器件方面顯示出廣闊的套用前景。

半導體超晶格

半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一組周期性結構，薄層的厚度與半導體中電子的德布羅意波長（約為10nm）或電子平均自由程（約為50nm）有相同量級。這種思想是在1968年Bell實驗室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，並於1970年首次在GaAs半導體上製成了超晶格結構。江崎等人把超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。

能帶結構

由於兩種材料的禁頻寬度不同而引起的沿薄層交替生長方向（Z方向）的附加周期勢分布中的勢阱稱為量子阱。量子阱中電子與塊狀晶體中電子具有完全不同的性質，即表現出量子尺寸效應，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的載流子失去了垂直於阱壁方向（Z方向）的自由度，只在平行於阱壁平面（xy面）內有兩個自由度，故常稱此量子系統為二維電子氣。

能帶的變化導致以下結果：

(1) 帶電子與重空穴和輕空穴複合分別產生TE模與TM模，重空穴帶與輕空穴帶在帶頂處簡併解除加劇了TE模與TM模的非對稱性。

(2) 不象體材料拋物線能帶中載流子必須從接近帶底處開始填充那樣，量子阱的階梯狀能帶雲溪注入的載流子依子能帶逐級填充。因此注入載流子能量量子化，提高了注入有源層內載流子的利用率，明顯增加了微分增益dg/dN。高微分增益帶來一系列好處：降低了雷射器的閥值電流；減少了載流子內部損耗，提高了效率；提高了雷射器的調製頻寬，減少了頻率啁啾。

(3) 由於Eg-q>Eg-b，量子阱雷射器的輸出波長通常要小於同質的體材料雷射器。

(4) 在導帶中子能帶沿的分布是拋物線型，而在價帶中卻遠非如此，這是由於重空穴帶和輕空穴帶混合（mixing）並相互作用所致，這使得價帶的能態密度分布並不象右圖所示的那樣呈現階梯狀，而是使價帶的能態密度增大，加劇了價帶和導帶能態密度的不對稱，提高了閥值電流，降低了微分增益，從而使雷射器的性能提升，這種情況要靠應變數子阱來改善。

特點

同常規的雷射器相比，量子阱雷射器具有以下特點：

1. 在量子阱中，態密度呈階梯狀分布，量子阱中首先是Elc和Elv之間電子和空穴參與的複合，所產生的光子能量hv=Elc-Elv>Eg，即光子能量大於材料的禁頻寬度。相應地，其發射波長凡小於所對應的波長，即出現波長藍移。

2. 在量子阱雷射器中，輻射複合主要發生在Elc和Elv之間，這是兩個能級之間的電子和空穴參與的複合，不同於導帶底附近的電子和價帶頂附近的空穴參與的輻射複合，因而量子阱雷射器光譜的線寬明顯地變窄了。

3. 在量子阱雷射器中，由於勢阱寬度Lx通常小於電子和空穴的擴散長度Le和Ln，電子和空穴還未來得及擴散就被勢壘限制在勢阱中，產生很高的注入效率，易於實現粒子數反轉，其增益大大提高，甚至可高達兩個數量級。

4. 量子阱使雷射器的溫度穩定條件大為改善，AIGalnAs量子阱雷射器的特徵溫度可達150K，甚至更高。因而，這在光纖通信等套用中至關重要。

科學研究

為了進一步改善量子阱雷射器的性能，人們又在量子阱中引入了應變和補償應變，出現了應變數子阱雷射器和補償應變數子阱雷射器。應變的引入減小了空穴的有限質量，進一步減小了價帶間的躍遷，從而使量子阱雷射器的閥值電流大為降低，量子效率和振盪頻率大大提高，並且由於價帶間的躍遷的減小和俄歇複合的降低而進一步改善了溫度特性，實現了雷射器無致冷工作。在阱和壘中分別引入不同應變（張應變/亞應變）實現應變補償，不僅能改善材料質量，從而提高雷射器的壽命，而且可利用壓應變對應於TE模式、張應變對應於TM模式的特性，製作與偏振無關的半導體雷射器的集成。

在國家973計畫、國家自然科學基金委重大項目等支持下，中國科學院半導體研究所牛智川研究員團隊深入研究銻化物半導體材料的基礎物理、異質結低維材料外延生長和光電器件的製備技術等，突破了銻化物量子阱雷射器的刻蝕與鈍化等核心工藝技術。在此基礎上，研究團隊創新設計金屬光柵側向耦合分布反饋（LC-DFB）結構，成功實現了2μm波段高性能單模雷射器，邊模抑制比達到53dB，是目前同類器件的最高值；而且輸出功率達到40mW，是目前同類器件的3倍以上。在銻化物量子阱大功率雷射器方面， FP腔量子阱大功率雷射器單管和巴條組件分別實現1.62瓦和16瓦的室溫連續輸出功率，綜合性能達到國際一流水平並突破國外高端雷射器進口限制性能的規定條款。