量子阱激光器

量子阱激光器是有源层非常薄，而产生量子尺寸效应的异质结半导体激光器。根据有源区内阱的数目可分为单量子阱和多量子阱激光器。量子阱激光器在阈值电流、温度特性、调制特性、偏振特性等方面都显示出很大的优越性，被誉为理想的半导体激光器，是光电子器件发展的突破口和方向。2019年，中国科学家研制出新型锑化物半导体量子阱激光器。

历史

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。

简介

一般半导体激光器有源层厚度约为0.1~0.3μm，当有源层厚度减薄到玻尔半径或德布罗意波长数量级时，就出现量子尺寸效应，这时载流子被限制在有源层构成的势阱内，该势阱称为量子阱，这导致了自由载流子特性发生重大变化。量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。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）；由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称MQW（Multiple Quantum Well）。量子阱激光器比起其他半导体激光器具有更低的阀值，更高的量子效率，极好的温度特性和极窄的线宽。量子阱激光器的研制始于1978年，已制出了从可见光到中红外的各种量子阱激光器。

工作原理

在普通的双异质结激光器中，因为有源区的三维尺寸都远大于电子平均自由程，因而电子的态密度函数为抛物线型，当载流子被限制在宽度与其德波罗意波长相当或更小的阱中时，则其态密度函数为类似阶梯形。如图1（a）所示，载流子复合跃迁将发生在各量子能级之间，在一般情况下受选择定则支配。此时注入电子的分布与峰值增益分布如图1（b）（c）所示。如果不考虑其他因素的影响，载流子运动受限越强，其阈值电流应越低。

结构

通常使用的量子阱激光器其势阱和势垒宽度在l0rnm左右。载流子和光波的横向限制，则如常规异质结一样，可采用不同的条形结构（见条形半导体激光器）。图2（a）所示的是质子轰击条形结构的多量子阱激光器的结构，图2（b）还表示出了量子阱中的光跃迁。

器件性能

①量子阱材料的光发射波长与阱宽的依赖关系：如忽略阱间耦合并采用无限深势阱的近似可求得量子能级与阱宽的关系，当阱变小时，电子能级提高，发射光能量也增加。所以量子阱结构是选定材料后实现短波化的主要出路。②低阈值电流密度：从图1可知，为达到相同的阈增益，则量子阱激光器有着比普通异质结激光器低得多的注入电流密度。③阈值电流的温度关系：半导体激光器的阈值电流温度T的关系一般用T0表征，阈值电流密度J与特征温度T0的关系为J（T）=J0exp（T/T0）。显然T0越高，温度影响越小，而量子阱激光器有着比通常异质结激光器高得多的T0。④量子阱激光器的频率特性：半导体激光器的

图1 量子阱激光器（一）

图1 量子阱激光器（二）

调制频率为其张弛振荡频率所限，而后者又受激光器微分增益的影响，由于量子阱激光器具有较高且窄的光增益谱，其微分增益系数可为普通异质结激光器的数倍，从而改善了频率特性。

两种类型

利用量子约束在其有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配其受激辐射的半导体激光器。

量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。

1. 量子线激光器

世界上第一只量子线激光器样品是由美国Bellcore公司研制的。这种新型激光器所需电流，只有目前用于CD唱机上的普通二极管激光器的十万分之一。量子线激光器是通过其“心脏”部分的一个极小的线状的芯而降电转化为光的，由于它的工作电流将比以前的激光器要小得多，故在未来的信息处理装置中将是非常有用的。量子线激光器所需激活电流极低，能够在电路之间起到微型光通讯系统的作用。

2. 量子点激光器

量子点激光器的性能与量子阶激光器或量子线激光器相比，具有更低的阀值电流密度、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（又称零维材料）中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流于态密度与能量关系为6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方面显示出广阔的应用前景。

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组周期性结构，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。

能带结构

由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向（Z方向）的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载流子失去了垂直于阱壁方向（Z方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（xy面）内有两个自由度，故常称此量子系统为二维电子气。

能带的变化导致以下结果：

(1) 带电子与重空穴和轻空穴复合分别产生TE模与TM模，重空穴带与轻空穴带在带顶处简并解除加剧了TE模与TM模的非对称性。

(2) 不象体材料抛物线能带中载流子必须从接近带底处开始填充那样，量子阱的阶梯状能带云溪注入的载流子依子能带逐级填充。因此注入载流子能量量子化，提高了注入有源层内载流子的利用率，明显增加了微分增益dg/dN。高微分增益带来一系列好处：降低了激光器的阀值电流；减少了载流子内部损耗，提高了效率；提高了激光器的调制带宽，减少了频率啁啾。

(3) 由于Eg-q>Eg-b，量子阱激光器的输出波长通常要小于同质的体材料激光器。

(4) 在导带中子能带沿的分布是抛物线型，而在价带中却远非如此，这是由于重空穴带和轻空穴带混合（mixing）并相互作用所致，这使得价带的能态密度分布并不象右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度增大，加剧了价带和导带能态密度的不对称，提高了阀值电流，降低了微分增益，从而使激光器的性能提升，这种情况要靠应变量子阱来改善。

特点

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Elc和Elv之间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量hv=Elc-Elv>Eg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长凡小于所对应的波长，即出现波长蓝移。

2. 在量子阱激光器中，辐射复合主要发生在Elc和Elv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，AIGalnAs量子阱激光器的特征温度可达150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要。

科学研究

为了进一步改善量子阱激光器的性能，人们又在量子阱中引入了应变和补偿应变，出现了应变量子阱激光器和补偿应变量子阱激光器。应变的引入减小了空穴的有限质量，进一步减小了价带间的跃迁，从而使量子阱激光器的阀值电流大为降低，量子效率和振荡频率大大提高，并且由于价带间的跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/亚应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命，而且可利用压应变对应于TE模式、张应变对应于TM模式的特性，制作与偏振无关的半导体激光器的集成。

在国家973计划、国家自然科学基金委重大项目等支持下，中国科学院半导体研究所牛智川研究员团队深入研究锑化物半导体材料的基础物理、异质结低维材料外延生长和光电器件的制备技术等，突破了锑化物量子阱激光器的刻蚀与钝化等核心工艺技术。在此基础上，研究团队创新设计金属光栅侧向耦合分布反馈（LC-DFB）结构，成功实现了2μm波段高性能单模激光器，边模抑制比达到53dB，是目前同类器件的最高值；而且输出功率达到40mW，是目前同类器件的3倍以上。在锑化物量子阱大功率激光器方面， FP腔量子阱大功率激光器单管和巴条组件分别实现1.62瓦和16瓦的室温连续输出功率，综合性能达到国际一流水平并突破国外高端激光器进口限制性能的规定条款。^[1]

参考资料

[1] 我国科学家研制出新型锑化物半导体量子阱激光器 · 科技部[引用日期2019-05-23]