第七章半导体量子阱激光器..
半导体技术中的量子阱技术
半导体技术中的量子阱技术随着信息技术的快速发展，半导体材料作为电子学领域的重要组成部分，也在不断地创新和完善。
其中，量子阱技术的出现，为半导体材料的性能提升和新应用的开发提供了新的可能。
一、量子阱技术的原理量子阱（quantum well）是指在两种不同材料之间形成的一种具有周期性势能的结构，在其中的电子表现出一些奇特的性质。
其原理可简单理解为，其“势垒”与“势峰”之间的能量差约为电子热运动时的能量，而电子在势峰处被限制在一个非常小的区域内，即量子点，形成了类似于能级的状态；这种状态又与周围材料的能带相接口，因此电子行为发生变化。
二、量子阱技术的优势相对于其他半导体材料，量子阱技术具有以下优势：1. 调节电子状态：量子阱在不同材料组合下，能够调节电子的状态，改变其带隙大小，从而改变半导体材料在不同波段的光学响应。
2. 减小电子束缚：与传统的材料不同，量子阱内的电子状态可以更容易地在纵向方向移动，有助于提高载流子的迁移率，减小电子束缚。
3. 更高的稳定性：量子阱技术制备的半导体材料具有更高的稳定性，能够在更长时间内保持特定的性能。
三、量子阱技术的应用随着量子阱技术的不断完善，其在以下领域中有着广泛的应用前景：1. 光电器件制造：量子阱技术可用于制备高效、小型化的光电器件，如激光器、LED等，为信息技术领域提供了更多可能。
2. 太阳能电池：利用量子阱技术制备的太阳能电池，可以提高其性能和效率，降低材料的成本和制备难度。
3. 生物医学：利用半导体材料制备的量子点和量子线，可用于生物医学成像技术中，实现高分辨率、低辐射的成像。
四、量子阱技术的研究进展目前，科学家们正在以各种方式继续研究量子阱技术的优势和应用。
例如：1. 使用先进的制备技术，如分子束外延、金属有机化学气相沉积等，制备更高质量、更精细的量子阱材料。
2. 引入新的导电材料、光学材料和化学键合技术，进一步优化量子阱结构和性能。
3. 应用量子场理论、量子力学等理论，实现量子阱结构的理论模拟和模拟计算，为精准设计和优化提供更多思路。
量子阱激光器的工作原理
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。
在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。
它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。
1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。
当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。
因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。
2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。
它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。
3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。
量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。
此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。
总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。
量子阱激光器的特点
量子阱激光器的特点概述量子阱激光器是一种基于量子力学原理的半导体激光器，具有许多优良的特性和应用前景。
本文将介绍量子阱激光器的结构、工作原理和特点，以及其在通信、雷达和生命科学等领域的应用。
结构量子阱激光器的结构由多个“量子阱”层构成，每一层都是由几个纳米级别的半导体材料交替排列而成。
这些材料的能隙被设计在激光器的工作波长处，使得只有在这个波长下才能发生吸收和辐射等光学过程，从而实现激光输出。
工作原理当一个电子进入量子阱层时，它被限制在非常小的空间中，这使得其自由度受到限制，并且其能量分裂为高能级和低能级。
当外加电压或光子刺激时，电子会跃迁到高能级态，随后在低能级态与辐射场相互作用而发射光子，从而实现激光辐射。
特点高效率量子阱激光器的外部效率非常高，能够将电子的能量转化为光的能量。
在实际的应用中，量子阱激光器的效率比传统的激光器高出几倍甚至几十倍。
窄线宽量子阱激光器能够产生非常窄的激光线宽，这意味着它可以通过光纤传输更多的信息。
同时，在激光通信和激光雷达等领域，其高精度定位和测量作用也得到广泛应用。
快速调制量子阱激光器响应时间比传统的激光器要短很多，能够在纳秒级别内实现快速开关和调制。
这使得其在高速通信和数据处理领域具有广泛的应用前景。
温度稳定性量子阱激光器比传统的激光器更加稳定，在宽范围的温度和电压条件下工作。
这使得其在大气物理、天文学和生命科学等领域中得到广泛应用。
应用通信量子阱激光器已经成为光通信系统中的重要组成部分，其窄线宽和高效率也使得其在光纤通信和无线光通信等领域具有重要应用前景。
雷达量子阱激光器在激光雷达测距、测速和遥感等应用中也具有广泛的应用前景。
尤其是在领域气象、地球科学和环境监测等领域，其高精度测量和定位作用十分重要。
生命科学量子阱激光器在生命科学领域中也有广泛的应用，例如生物诊断、分子光谱学、荧光成像等等。
由于其快速开关和高精度测量的特性，已经成为研究细胞和分子行为中不可或缺的工具。
量子阱激光器
单量子阱结构
基本概念
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
斜跃迁量子级联激光器能带结构 示意图及P-I特性
结 语
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。
硕士研究生论文答辩
结构与特性
结构与特性
量子阱激光器具有以下特性：
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，这使得Jth降低，而且Jth 随温度变化小，温度稳定性好；
3.注入的载流子大部分用来客服内部损耗，只要较少的注入 载流子就能有较高的效率，产生更大的功率，适用于制作大 功率激光器阵列； 4.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，能在更高的调制速率下工作，动态工作 特性好；
前景展望
量子级联激光器 （Quantum Cascade Laser）是一种新型半 导体激光器，它由数 报道
BELL LAB
J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)
半导体量子阱激光器
半导体量子阱激光器什么是量子阱量子阱（quantum well）是一种半导体结构，是指将两个能带较窄的半导体材料之间夹入一个能带较宽的材料而形成的材料结构。
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器是利用半导体异质结构储能的原理，将电能转化为光能的半导体光电器件。
量子阱激光器的主要部分是由一系列宽度为数个纳米量级的“量子阱”和宽度大约为1微米的背域构成。
当外加电压作用整个器件时，电子和空穴在“量子阱”内发生复合，从而发射出相干性很好的激光光子，光强度迅速地增强。
量子阱激光器的特点量子阱激光器采用的是半导体亚微米制造工艺，由于这种工艺存在一些优点，因此它也具有独特的性能。
输出效率高量子阱激光器具有输出效率高，输出功率大，并且发光波长锁定精度高等优点。
目前，半导体量子阱激光器已逐渐取代气体激光器、半导体激光器和半导体激光二极管，成为现在的主流激光器。
寿命长量子阱激光器寿命较长，保持持续较高的电光转换效率，使用寿命优于其他半导体激光器器件。
量子阱激光器的加工制造和更可靠的工程设计为半导体激光器的发展奠定了坚实的基础。
小型化量子阱激光器具有小型化的优点，因为它们由亚微米制造工艺制造而成，可以被集成到其他芯片中，这一点也可以使得芯片的体积变得更小。
波长可调节量子阱激光器波长可调节，可以进行多波长发射。
这种波长可变暴露了它在目标检测和应急救援系统中的应用。
量子阱激光器的应用量子阱激光器已经成为现代科技领域的重要组成部分。
它的应用范围非常广泛，如光通信系统、制造加工、医学检测等领域。
光通信系统量子阱激光器是进行光通信的关键设备之一，被广泛应用于通信、信息处理和数据存储。
随着物联网的发展，量子阱激光器在物联网应用领域也越来越广泛。
制造加工量子阱激光器的高功率和小型化特点，使得它可以激发大功率的光束，加热加工材料，成为高精度的工业生产设备。
医学检测量子阱激光器在医学检测领域也有着广泛的应用。
例如，用于检测医疗的光谱分析，这也为临床疾病医治提供了帮助。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器简介量子阱半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其核心结构是量子阱。
量子阱是一种在半导体材料中形成的人工结构，通过限制电子和空穴在垂直方向上的运动，可以实现能带的调控和载流子的局域化。
这样的结构使得量子阱半导体激光器具有优异的光学性能和应用前景。
工作原理量子阱半导体激光器利用电子和空穴复合放射出光子的原理来产生激光。
其工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.注入载流子：通过外加电压或注入电流，将电子和空穴注入到量子阱结构中。
这些载流子会在量子阱中进行运动并最终发生复合过程。
2.载流子局域化：由于量子阱结构的限制，载流子会在垂直方向上被局域化。
这种局域化效应使得载流子在水平方向上进行多次碰撞，并增加了载流子之间相互复合的机会。
3.载流子复合：在量子阱中，电子和空穴会通过自发辐射的方式发生复合。
这个过程中释放出的能量将以光子的形式辐射出来。
4.光放大：释放出的光子会在量子阱结构中来回反射，并被不断放大。
由于在激光器结构中引入了光反馈环境，使得其中一部分光子经过受激辐射过程而进一步增强，形成相干和定向性很好的激光输出。
结构设计量子阱半导体激光器的结构设计是实现其优异性能的关键。
一般情况下，其主要包括以下几个部分：1.量子阱层：量子阱层是激光器结构中最重要的组成部分。
通过选择不同材料、控制厚度和形状，可以实现对能带结构和载流子局域化效应的调控。
常用的材料包括GaN、InGaAs等。
2.波导层：波导层用于引导和限制激光波长在有效范围内传播。
通常采用高折射率材料与低折射率材料的结构，形成光波在其中传播的通道。
3.反射镜：反射镜用于增强激光的放大效果。
一般情况下，激光器结构中会包含两个反射镜，其中一个是高反射镜，用于将光子反射回波导层；另一个是输出镜，用于从激光器中输出部分光子。
4.电极：电极用于注入电流并控制载流子的注入和分布。
通过调节电极的设计和布局，可以实现对激光器性能的进一步优化。
Chapter7-量子阱激光器
帶间跃迁矩阵元
e * * ˆ puC d 3r H 'eh [ Fh A( r ) Fe ]rrj u V e 2m0 j unit cell
考虑到uV 和uC 在每 个unit cell 上是相 同的
e 1 ( 2m0 Vunit cell
* 3 ˆ u V e puC d r )[ Fh A(r) Fe ]rrjVunit cell
2 2 En ,n 1 (n 1/ 2) 2 me d w
(Note)
量子限制效应-带隙展宽
Ew (k x , k y , k z ) E g
3D
2 2 2 2 2 2 n n 2 z 2 z 2me d w 2mhhd w
量子限制效应带隙展宽的估算
1 E 2 d
2 2
接下来会陆续介绍括号所标项对增益的影响
量子阱激光器的光增益-(f -f ) 的影响
C V
(fC-fV) 的影响
量子阱激光器的光增益谱-(f -f )
c v
T=0 K (fc-fv)=1 反转情形
实空间
K空间
Fermi－Dirac 分布
量子阱激光器的光增益--0 K
在第1子帶内, 态密度是常数, fc-fv=1;
1 W ( r rj ) N
kBZ
e
ik ( r rj )
u( r rj ) u0 ( r rj )
( r ) j F ( rj )W ( r rj ) F ( r )u0 ( r )
电子波函最终写为:
(r ) e
ik xy r
u (r ) ( z )
量子阱特征现象—分立化吸收谱
量子阱半导体激光器
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)。
量子阱半导体激光器的模拟研究分析
课题引言
量子阱
对电子和空穴的运动来说， GaAs 和材料构成超晶格最重要的特点是能 带在 a、 b界面的突变。图中a代表 宽禁带隙的材料，a层中的电子和空 穴将进入两边的b层，能量将处于b材 料的禁带隙内，只要b层不是十分薄， 它们将基本被反射回去。换言之，电 子和空穴将被限制在b层内，好像落 入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊 能带结构被形象地称为“量子阱”。 超晶格则是包含了许多个这样的量子 阱，且阱之间能够相互作用，形成小 能带。
量子阱激光器
阈值电流低 调制速率高
谱线宽度窄
温度特性好
光增益大
理论分析
量子阱激光器速率方程
理论分析
量子阱激光器速率方程
量子阱激光器的等效电路
大信号量子阱激光器的等效电路模型
量子阱激光器的等效电路
大信号量子阱激光器的等效电路模型
小信号量子阱激光器的等效电路模型
小信号量子阱激光器的等效电路模型
谢谢大家
再见
量子阱半导体激光器的模拟研究分析
华中科技大学电子科学与技术系003班 二零零三年七月
湖北 武汉
研究人员
组长：孙 涛 组员：章双玉 陈小霞 熊廷文 文晋吾 刘 波 吴国阳 朱善林 郭 旭
课题引言
量子阱
对电子和空穴的运动来说， GaAs 和材料构成超晶格最重要的特点是能 带在 a、 b界面的突变。图中a代表 宽禁带隙的材料，a层中的电子和空 穴将进入两边的b层，能量将处于b材 料的禁带隙内，只要b层不是十分薄， 它们将基本被反射回去。换言之，电 子和空穴将被限制在b层内，好像落 入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊 能带结构被形象地称为“量子阱”。 超晶格则是包含了许多个这样的量子 阱，且阱之间能够相互作用，形成小 能带。
半导体激光器件中的量子阱与电子能带结构分析
半导体激光器件中的量子阱与电子能带结构分析半导体激光器件是一种重要的光电子器件，广泛应用于通信、医疗、工业和军事等领域。
量子阱是制造半导体激光器件时经常使用的一种结构，通过控制量子阱的尺寸和材料参数，可以实现更高效的光电转换和更低的能耗。
本文将对半导体激光器件中的量子阱和电子能带结构进行详细的分析。
首先，我们来了解一下量子阱的基本概念。
量子阱是由两个能禁带较宽的材料夹紧一个能带较窄的材料形成的。
其中，能带较窄的材料被称为“量子阱层”，而能带较宽的材料被称为“禁带材料”或“组分材料”。
量子阱通过局域化电子在能隙中形成束缚态，从而实现对电子的限制和控制。
在半导体材料中，电子能带结构对于激光器件的性能至关重要。
电子能带结构由价带和导带组成，其中价带是电子禁带以下的能态，导带是电子禁带以上的能态。
对于半导体材料，导带带有自由电子，在外界的激励下可以跃迁到价带中，产生辐射并产生激光效应。
量子阱结构在激光器件中起到了至关重要的作用。
首先，量子阱的宽度决定了束缚态能级的分立程度。
当量子阱的宽度小于一定值时，能级间的能隙大到足以限制电子的运动，使得电子能态分立得足够好。
这种分立的能级结构可以实现更高效的电子注入和激光输出。
其次，量子阱的材料参数对于电子能带结构的调控具有重要意义。
材料参数包括化合物的能带偏移、能带压缩和晶格匹配等。
能带偏移是指禁带材料和量子阱层之间的能带错位，通过调节能带偏移可以调整量子阱的能带结构。
能带压缩是指量子阱层与禁带材料之间的应变，应变会影响量子阱中的电子和空穴有效质量，进而影响能态的分立程度。
晶格匹配则是指量子阱层和其它材料之间的晶格结构的匹配程度，晶格匹配好可以减小缺陷的形成。
在实际制备半导体激光器件时，我们可以通过分子束外延、金属有机化学气相沉积和金属有机化学液相沉积等方法来制备量子阱结构。
这些方法可以精确地控制量子阱的尺寸和形貌，从而实现对电子能带结构的精细调控。
此外，量子阱的材料选择也对电子能带结构产生了重要影响。
量子阱半导体激光器简述
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1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。
量子阱半导体激光器简述
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。
半导体量子阱半导体量子阱的形成和结构
半导体量子阱半导体量子阱的形成和结构电子层光的吸收和激发光的发射量子网格和点量子有限的结构固体的光性质不是总依赖于他们的尺寸，红宝石对于非常笑的晶体，光学性质确实是取决于他们的尺寸参杂半导体的玻璃在非常笑的晶体中光学性质取决于大小是量子限制效应的结果量子限制效应海申堡的不确定原理告诉我们如果我们把粒子限制在 x的长度，相应的动量由上部分蓝色公式给出如果粒子是自由的且有质量m，在x方向上的限制给他额外的能量，如上部分蓝色公式所示这部分能量只有在大于或者于粒子的动能kT有可比性的时候才有意义由第一个公式推导出量子尺寸的影响是重要的当（第二个公式所示）Delt x的值必须和德布罗意波长是一个量子的，为的是获得更明显的量子效应对于一个电子在典型的半导体质量为0.1m0.室温下，delt x必须是约等于5nm，才能获得量子限制效应，非常薄的一层三种基本类型的量子限制结构量子阱限制一维量子线限制二维量子点限制三维体积（正货）三维晶体量子阱二维晶体量子线一维晶体量子点零维晶体制备技巧量子阱先进的外延晶体生长量子线平版印刷技术或者外延生长量子点平版印刷技术或者自然生长技术半导体量子阱的形成和结构外延晶体生长技术分子束外延和金属有机物化学气相沉积D的选择要接近于第一个公式量子化的运动在z方向在xy平面上是自由移动由于能量带的不连续能带结构电子和小孔被困在砷化镓层并联量子阱有更大的数值绝缘的超晶格有更细的？？耦合的和新的外延形式在z方向上形成额外的性能参数分离电子和孔在量子阱中在xy方向上是自由的在z方向是被限制的这就允许我们写出如下式子见第一个公式在xy平面上的自由移动可以用波矢k来描述见公式二和三Z方向上量子化的能量用量子数n来表示见公式四和五所以电子或小孔第n层的总能量由公式六表示无限深势阱薛定谔公式见第一个公式边界条件见第二个公式波函数见第三个公式在势阱中波动函数被描述成驻波其形式见第四个公式相对应的第n层的能量见第五个公式能级的能量反比于有效质量和井的宽度的平方电子重的空穴轻的空穴有不同的量子化能量在价带上重的空穴在大多数情况下占主导地位因为他们形成了基态波函数可以由节点的数量确定第n能级有n-1个节点奇数n的情形有偶宇称性反之亦然见公式三有限深势阱真正的量子阱是有限的边界的粒子可以像过隧道一样穿过障碍在一定程度上这就允许波函数传播到更远因此减少限制的能量无限深势阱模型过高的评价了量子化的能量空穴的量子化能量比电子的更笑（更小的质量）选择规则无限深势阱中的选择原则是delt n =0 费米黄金法则见第二个公式在有限深势阱中稍微违背上面的选择性原则Delt n不能与0 过渡非常的微弱如果deltn是奇数的话过渡被严格禁止因为反宇称性要求重叠部分的能力是0两个维度上的吸收从价带的基态（n=1的重空穴层）到最低导电态（n=1的电子层）的临界值见公式1二维的量子阱的吸收限相对于成块的半导体有蓝移不同井宽的吸收限的频率不同由于在xy平面上的自由移动电子和空穴的总能量和导电带价带的关系如第一式所示能量过渡由图示的垂直箭头展示Miu是电子和空穴减少的有效质量二维连接态的强度不受能量的支配有第二个公式给出量子阱的吸收系数有一个阶梯状的结构由于能量的限制吸收限蓝移很明显QW吸收光谱的阶梯结构第n层过渡的临界能量由第三式给出测量吸收光谱像阶梯一样的行为每一步边缘的强峰激子的影响箭头所指的弱峰是delt n 不等于0造成的量子井中的激子由于量子限制效应量子阱中激子会被放大在室温下位于量子阱中的激子任然是稳定的光的发射电子和空穴像电或光一样喷射很快放松到能带的底端电子和空穴被允许的最低层是相对于n=1的限制状态在能量（公式所示的能量）时发冷光的光谱由光谱宽度为KT的峰组成反射峰有比块状更多的能量量子阱提供三大比疏松物质更多的优点选择不同的井宽由于能力的限制造成的冷光峰的蓝移有所不同量子阱中在电子和空穴中的重叠部分的增加意味着发射的可能性更高辐射的时间更短能效更高。
(课内实践论文)量子阱激光器的工作机理和特性
量子阱激光器的工作特性姓名：李强学号：1108141211 量子阱的工作机理1.1 什么是量子阱量子阱是指由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。
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。
1.2 量子阱基本原理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，图1为超晶格结构的示意图。
以GaAs／AlAs半导体超晶格的结构为例:在半绝缘GaAs衬底上沿[001]方向外延生长500nm左右的GaAs薄层，而交替生长厚度为几埃至几百埃的AlAs薄层。
这两者共同构成了一个多层薄膜结构。
GaAs的晶格常数为0.56351nm，AlAs的晶格常0.56622nm。
由于AlAs的禁带宽度比GaAs的大，AlAs层中的电子和空穴将进入两边的GaAs 层，“落入”GaAs材料的导带底，只要GaAs层不是太薄，电子将被约束在导带底部，且被阱壁不断反射。
换句话说，由于GaAs的禁带宽度小于AlAs的禁带宽度，只要GaAs层厚度小到量子尺度，那么就如同一口阱在“吸引“着载流子，无论处在其中的载流子的运动路径怎样，都必须越过一个势垒，由于GaAs层厚度为量子尺度，我们将这种势阱称为量子阱(见图1、2)。
半导体量子阱激光器
老年人如何保护自己的财产安全随着社会的发展和进步，老年人的生活水平不断提高，手中的财产也逐渐增多。
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此外，对于密码的设置和保管也要格外小心。
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同时，不要将密码写在纸上或者告诉他人，以免造成财产损失。
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如果没有足够的知识和经验，最好不要轻易涉足。
四、注意消费陷阱在消费过程中，老年人也要注意防范陷阱。
购买商品或服务时，要仔细查看合同条款，了解价格、质量、售后服务等方面的内容。
对于那些需要预付款的消费项目，要谨慎考虑，避免商家跑路或者服务不到位导致财产损失。
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
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。
第七章半导体量子阱激光器
∆Ec
∆Ev
多量子阱能带图
超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。
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 。
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
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。
（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。
量子阱激光器
量子阱激光器的特点
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E1c和E1v之 间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量h v＝E1c－E1v＞ E g，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 几所对应的波长九，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 L n，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，A l G a I n A s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。
量子阱激光器 简介及工作原理
量子阱激光器概述
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，简称为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阈值，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。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器引言量子阱半导体激光器（quantum well semiconductor laser）是一种利用量子阱结构实现的半导体激光器。
其具有较小的发射阈值电流、高效率、高速调制特性等优点，在通信、雷达、医学和科学研究等领域有广泛应用。
本文将对量子阱半导体激光器的原理和应用进行探讨。
量子阱半导体激光器的原理量子阱半导体激光器的原理基于半导体材料中的能带结构和电子能级的量子限制效应。
量子阱是一种在材料中形成的极薄的区域，其中的电子仅能在垂直方向上做束缚运动。
这种限制使得材料的禁带宽度变窄，电子在阱内的能量级离散。
因此，量子阱结构能够有效地限制电子运动，提高激光器的效率。
量子阱结构量子阱结构一般由两种不同宽度的材料层交替叠加而成。
其中，较宽的材料层称为障垒层（barrier），用于限制电子在垂直方向上的运动。
较窄的材料层称为量子阱层（well），用于限制电子在平面上的运动。
通过调节障垒层和量子阱层的宽度和组分，可以实现对激光器波长和特性的控制。
激光器结构量子阱半导体激光器的基本结构包括n型和p型的半导体层和量子阱结构层。
其中n型和p型层的作用是形成电子和空穴注入区，而量子阱结构层则是光放大区。
通过在结构中引入反射镜和耦合器件等元素，可以实现激光器的进一步增强和光输出。
量子阱半导体激光器的性能和特点量子阱半导体激光器具有以下性能和特点：低发射阈值电流由于量子阱结构的限制性，激活载流子在阱内的束缚效应增强，从而减小了发射阈值电流。
因此，量子阱半导体激光器具有低阈值电流的特点，可以降低功率消耗，提高激光器的效率。
高光束质量量子阱半导体激光器中的电子和空穴限制在较小的空间内运动，使得光场分布更加集中和稳定，光束质量更高。
这使得激光器能够产生更细致的光束，提供更好的输出性能。
宽光谱调制带宽量子阱半导体激光器的响应速度较快，可以在高频率下实现光强调制。
通过在量子阱结构中引入电流或光的调制，可以实现高速的光通信和调制功能。
量子阱激光器
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 梯状能带允许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：降低了激光器的阈值电流；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 的分布仍是抛物线型，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，提高了阈值电流，降低了微分增益，从而使激光器的性 能，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。
量子阱激光器的特点
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E1c和E1v之 间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量h v＝E1c－E1v＞ E g，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 几所对应的波长九，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 L n，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，A l G a I n A s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。
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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。
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
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。
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。
（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）
பைடு நூலகம்
（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 。
∆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。
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 。