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)。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

量子阱是窄带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间。如果窄带系与宽带系超薄层交替

生长就能构成多量子阱(MQW)。在MQW 中如果各阱之间的电子波函数发生一定程度的交

叠或耦合，则这样的MQW 也就是超晶格，宛如在晶体中微观粒子作周期有序排列一样。

量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，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。由于垂直与阱壁方向的限制作用，使导

带与价带的能级分裂为子带。电子的总能量可表示为

cn c E m k E c +=||

222

||

式中，k c||与m c||分别为在平行与结平面方向的波数与有效质量，故上式右边第一项为电子抛

物线能量分布，第二项为量子化能量，它在阱底为零。相应的光跃迁波长为 vn

cn g E E E ++=24.1λ 与块状材料单纯由E g 决定不同。E cn 和E vn 分别为导带和价带的量子化能级，并有

cn

z cn m L n h E 22

28= 其中，L z 量子阱宽，对E vn 亦有类似的表示式。但此时由于量子限制作用，重轻空穴带的兼

并解除，价带情况较复杂，。由半导体物理，可推导出量子阱中电子的态密度函数为：

)(1)(2cn n z E E H m L E -=∑*

πρ H 函数为Heaviside 单位阶跃函数，L z 为阱宽，n 为z 方向量子数。价带空穴的态密度也有

图3 QW 能带结构及态密度

类似的表示。

量子阱材料中，价带子能带（HH 1、HH 2、HH 3、LH 1）形状随k 方向不同而不同，图中所示

为某些方向的能带形状。由以上可以看出，

1) 由于电子被势垒所限制，其波函数在垂直方向引起能级量子化，电子、空穴的态密度与

能量的关系，由抛物线型改变成台阶状结构，比体材料远为集中。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

远高于体材料的激光器。高的微分增益带来许多好处：

➢ 降低了激光器的阈值电流；

➢ 使有源层中电子与光子的耦合时间常数变小，因而使激光器的张驰振荡频率与相同发射

频率的块状有源材料激光器相比大大提高，这就相应的提高了激光器的调制带宽；

➢ 有源层内部载流子损耗的减少，提高了激光器的斜率效率；

➢ 减少了频率啁啾。

2) QW 材料禁带宽度大与体材料，因此激射波长变短。

3) 由于量子限制效应，重轻空穴带分裂，且子带形状发生变化，加剧了TE 与TM 模的非

对称性，影响了激光器性能。 对于量子阱结构，由于有源层厚度很小，光场限制因子⎰⎰∞-∞

+=Γdx I dx I x d

x 减少，有相当大一

部分光的能量会渗出有源层，会导致阈值升高等问题。现实中采用光子和载流子分别限制的

结构，在有源层外加上光限制层。有分别限制

单量子阱(SCH —SQW)结构和多量子阱结构。

SCH —SQW 是在阱层两侧配备底折射率

的光限制层（波导层）。该层折射率有渐变和

突变两种。如图4

MQW 有多个窄带隙和宽带隙超薄层交替生长而成，在两边最外的势垒层之后再生长底

折射率的波导层以限制光子，这等效于加厚了有源层，使激光器的远场特性有大幅度改善。

图4 SCH —SQW 折射率n 1）渐变型 2）突变型 图5 多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布

折射率

增益区 光学模式