(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：110814121
1 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)。

当GaAs和AlAs沿Z方向交替生长时，图2描绘了超晶格多层薄膜结构与相应的的周期势场。

其中a表示AlAs薄层厚度(势垒宽度)，b表示薄层厚度(势阱宽度) 。

如果势垒的宽度较大，使得两个相邻势阱中的电子波函数互不重叠，那么就此形成的量子阱将是相互独立的，这就是多量子阱。

多量子阱的光学性质与单量子阱的相同，而强度则是单量子阱的线性迭加。

另一方面，如果两个相邻的量子阱间距很近，那么其中的电子态将发生耦合，能级将分裂成带，并称之为子能带。

而两个相邻的子能带之间又存在能隙，称为子能隙。

通过人为控制这
些子能隙的宽度与子能带，使得半导体微结构表现出多种多样的宏观性质。

图1
2 量子阱激光器的工作机理和特性
同常规的激光器相比，由于有源区为量子阱结构，器件特性便具有下列新特点:
首先，量子阱中态密度呈阶梯状分布，导带中第一个电子能级E1c高于原导带底E c价带中第一个空穴能级E1v低于原价带顶E v，因此有E1c - E1v >E g。

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hν= E1c - E1v > Eg ，即光子能量大于材料的禁带宽度。

相应地，其发射波长λ= 1124P( E1c - E1v ) 小于E g所对应的波长λg，即出现了波长蓝移。

其次，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
电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近
和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复
合，因而量子阱激光器的光谱的线宽明显地
变窄了。

第三，在量子阱激光器中，由于势阱宽
度L x通常小于电子和空穴的扩散长度L c
和L h，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，其增益大为提高，甚
至可高达两个数量级。

此外，还有一个十分
有趣的物理现象，即在量子阱结构中，注入
载流子通过同声子的相互作用，使较高阶梯
能态上的电子或空穴转移到较低能态上，从
而出现“声子协助受激辐射”。

可见，声子
协助载流子跃迁是量子结构的一个重要特
性。

众所周知,半导体器件对温度十分灵敏,其特性常常因温度升高而变坏. 在激光器中, I th = I tho exp ( T/ T0 ) , T0 为特征温度,它越大则器件性能越稳定. 对于AlGaAs 激光器, T0 通常为120K,而AlGaAs量子阱激光器的T0 通常高于160K,甚至有的高达300K. 对于InGaAsP 激光器,由于其价带的俄歇复合效应,使得电流泄漏较大,通常T0 ～50K. 而采用量子阱结构之后,其T0 可达150K甚至更高。

因而量子阱使InGaAsP 激光器的温度稳定性大为改善,这在光纤通信等应用中至关重要。