第七章半导体量子阱激光器..

7.5.1 新型的量子阱激光器
（1）低维超晶格——量子线、量子点激光器： 量子阱结构中，电子只受到一维的限制，在结平面内仍 维持二维的自由运动。如果对电子进行二维或三维的限制， 就得到一维量子线和零维量子点结构。 （2）量子级联激光器（Quantum Cascade Laser）： 由数组量子阱结构串联在一起构成的新型量子阱激光器。
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（1）低维超晶格——量子线、量子点激光器 这种更窄的态密度分布带来更高的微分增益，将使得 半导体激光器的特性进一步提高，如阈值电流降低， 光谱线宽、调制速率、温度特性等可以进一步改善。
ρ （E） ρ （E） ρ （E）
E
E
E
态密度分布（量子阱、量子线、量子点）
（2）量子级联激光器从电子跃迁的方式上可分为 斜跃迁和垂直跃迁两种 。
为什么说GaAs/AlGaAs 异质结是最接近理想的二维 电子系统？
• 由于 GaAs/ AlGaAs 是晶体匹配的材料体系。利用现代 分子束外延生长技术几乎可以获得原子级平整的界面，大大 减少了界面缺陷和界面粗糙度对输运性质的影响。 • 超高真空下分子束外延生长保证了 GaAs、AlGaAs本征材 料的纯度可达到1013cm-3的水平。 • 更为重要的是，施主杂质在离界面一定距离以外的 AlGaAs 一侧，而电子被转移到窄能隙的 GaAs 侧界面势阱内， 远离产生它的电离施主，使它们感受到的库仑散射作用大大 减弱，极大地提高了二维电子气在低温下的迁移率。
斜跃迁量子阱级联激光器能 带结构示意图及P-I特性
垂直跃迁量子阱级联激 光器部分导带图
量子阱激光器的突出优点：
（1）改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长

； （2）注入载流子能提供更高的增益，使得阈值电流降低，而 且阈值电流随温度变化小，温度温度性好； （3）注入载流子大部分用来克服内部损耗，只要较小的注入 载流子就能有高的效率，产生更大的功率，适于制作大功率激 光器阵列； （4）在量子阱激光器中，增益变化只引起较小的折射率改变 ，所以光谱线较窄，频率啁啾小。 （5）由于价带的轻重空穴带量子化能级分离，因此具有 TE,TM模式的选择控制性能； （6）微分增益系数高，能再更高的调制速率下工作，动态工 作特性好。
超晶格多量子阱能带结构示意图
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒 很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即 量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势 垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱， 即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
EcA EgA EcB EvB EvA E2 E1 EgB E2 E1
这意味着GaAs/AlGaAs异质结已将杂质、缺陷等对二维 电子系统的“干扰”降低到最低限度，这才使电子间的多 体相互作用显得更为重要起来。 因此，从某种意义上说，性质优异的异质结结构为整数量 子Hall效应和分数量子Hall效应的发现提供了必要条件。
迄今为止, GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结能获得的电子 迁移率已高达1×107cm2/ V· s 。
∆Ec
∆Ev
多量子阱能带图
超晶格能带图
超晶格分类
（1）组分调制超晶格 （2）掺杂调制超晶格 （3）应变超晶格 （4）多维超晶格
超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。
（1）组分调制超晶格
在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导 体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格 中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界 面处将发生能带的不连续。