量子阱

西南交通大学
固体物理课程技术报告
量子阱半导体激光器的介绍及应用
年级: 2009级
学号: 09041124
姓名: 李慧
专业: 通信与信息系统
老师: 潘炜教授
摘要：本文从光子技术的发展入手，首先了介绍了半导体激光器的研究现状及前景，并阐述什么是半导体激光器和量子阱。

讲述了半导体激光器的工作原理及优缺点，以及量子阱在半导体中应用——量子阱半导体激光器。

关键词：半导体激光器，量子阱，InGaAs
一、引言
随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术的应用领域及前景越来越广阔。

在要求极高数据处理速率的一些应用领域,光子器件正逐步取代电子器件得到有效的应用。

可以预见,不久的将来光子器件及光子集成线路的重要性不亚于集成电路在当今的地位及作用。

近几年来, 半导体激光器, 特别是量子阱激光器和量子点激光器发展迅猛，为了得到阈值电流低、量子效率高、室温工作、短波长、长寿命和光束质量好等高性能的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术[1]。

半导体激光器(LD) 特别是量子阱半导体激光器(QWLD) 是光通信和光互连中重要的光源[3]。

为了获得更高的功率，方法之一就是使用宽波导结构，与传统的窄波导结构相比，宽波导结构有很多优势。

宽波导结构可以增加横摸宽度，从而导致在一个大的范围内光强有效分布，减少了端面强度，因此输出功率更大[2]。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。

常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

超宽带激光器可在6-8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。

未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。

二、半导体激光器的原理及优缺点
半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:
（1）增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。

在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-n结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。

（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。

这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。

当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

可见在
半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。

量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。

另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。

半导体激光器是一种非常方便的光源，具备紧凑、耐用、便携和强大等特点。

然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。

相比之下，超宽带激光器具有显著的优势，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。

制造出可在范围广泛的操作环境下可靠运行的超宽带激光器正是科学家们长久以来追求的一个目标[5]。

三、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。

量子肼的最基本特征是，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[3]。

四、InGaAs量子阱激光器的介绍及应用
衬底出光的InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应变量子阱组成, InGaAs 量子阱宽为8nm , GaAs 势垒宽为10 nm1 三个量子阱被上、下AlG aAs限制层包围构成为一个波长的谐振腔。

上下两个分布布喇格反射镜为四分之一波长的GaAs和AlGaAs周期结构组成。

其中p 型反射镜为38. 5周期(掺杂C ,浓度为3×1018) ,n 型反射镜为28. 5周期(掺杂Si ,浓度为 3 ×1018cm- 3) 1N 型反射镜的对数比p型反射镜对数少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形成衬底出光型器件。

在p 型分布布喇格反射镜与有源区之间加入一层高Al组分的Al0198G a0102 As层,厚度为30 nm ,此层在器件的工艺过程中将被氧化为AlxOy 绝缘层,起到电流限制作用,形成电流注入窗口。

器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在n -G aAs衬底(掺杂Si ,浓度为3×1018cm- 3)上外延生长获得。

工艺过程中,采用化学湿法腐蚀法,腐蚀出直径为350μm的圆形台, 腐蚀深度
以露出Al
98
.0Ga
02
.0
As层为宜，之后把器件置于高温(420℃)湿氮环境下对
Al
98
.0Ga
02
.0
As 层进行氧化处理,转化为Al xOy 绝缘层,形成300μm直径的电
流注入窗口，对注入器件的电流起到限制作用。

之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处理，减薄到大约150μm左右，以减少衬底对器件的串联电阻的贡献1P型分布布拉格反射镜侧做大面积的Ti-Pt-Au 金属接触。

在n型G aAs衬底上蒸发制作Si/ SiO2增透膜膜系，以提高输出光功率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底侧的n型金属接触层。

最后由快速热退火炉进行合金退火处理。

整个器件结构由In焊料( In焊料为软焊料,可以减少封装过程中引入到外延片的应力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装。

并对器件特性进行测试[4]。

四、小结
通过上文的学习，我们了解到量子阱的构造，半导体激光器的优点及不足，两者结合的产物——量子阱半导体激光器的原理尤其是InGaAs量子阱半导体激光器的构造与设计。

典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。

由于量子阱垂直腔面激光器的输出光不再在沿着腔面方向，从而更有利于对输出光的接收。

但也存在一些缺点，如输出光为椭圆偏振光，因此不适合在保偏系统中应用。

参考文献
1 王绍民，赵道木，吕章德，周国泉，黄富泉，徐锦心.量子阱半导体激光器的光束质量
[J].光子学报，2001,30(4):483~486
2 Fang Gaozhan, Xiao Jianwei, Ma Xiaoyu, Feng Xiaoming, Wang Xiaowei, L iu
Yuanyuan,Liu Bin,Tan Manqing and Lan Yongsheng. High Power 808nm AlGaAs/GaAs Quantum Well Laser Diodes with Broad Waveguide[J].半导体学报，2002,23(8):809~812 ,
3 毛陆虹,郭维廉,陈弘达,吴荣汉.量子阱半导体激光器调制特性和噪声的电路模拟[J].通
信学报,2001,22(1):38~42
4晏长岭,宁永强,秦莉,张淑敏,赵路民.高功率InGaAs量子阱垂直腔面发射激光器的研制[J].2004,33(9):1029~1031。