量子阱激光器的结构

量子阱半导体激光器的结构

物理与电子工程学院物理学（师范）专业 2008级

摘要：本文介绍了量子阱的基本概念，分别讨论了方势阱量子阱、阶梯型量子阱、渐变量子阱、多量子阱及应变量子阱等几种常用的量子阱的结构及其特点，并在此基础之上，分析讨论了量子阱半导体激光器的结构及特点。

关键词：半导体激光器；量子阱；结构；特点

Abstract:This paper introduces the basic concept of quantum well .Discussed party potential trap quantum well, ladder type quantum well, gradual change quantum well, many quantum well and strain quantum well some commonly used such as quantum well structure and characteristics. Based on this, it analysises about the quantum well semiconductor laser structure and the characteristic.

Key words: semiconductor lasers; quantum well; structure; characteristics

1引言

1962年后期，美国研制成功GaA s同质结半导体激光器。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。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。

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。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。

为了实现产生相干光的振荡器，半导体激光器也必须在光放大器上加上反馈,产生谐振。当谐振波长的有效增益值满足条件，就能够形成激光震荡[1]。量子阱激光器能够得到扩大震荡波长区域、降低震荡阈值电流、扩大调制带宽、降低噪声、增高频谱纯度等显著的成果。QW激光器需要高水平的设计与制作技术，是一种尖端的光电子器件，已经由许多商品供应了。可以期待作为重要的半导体激光器今后会取得更进一步的发展。

2量子阱的概念

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[2]。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]。对于量子阱非线性光学的研究集中于两个方面，一个是价带到导带跃迁;另一种是价带或导带内子带间跃迁。如图所示，这两种跃迁均可以通过改变组分、外场等来实现跃迁波长的协调。

图2-1 半导体量子阱带间和子带间跃迁示意图

3几种常用的量子阱结构及其特点

把量子阱作为有源层就能实现量子阱激光器，它的特性与通常的DH激光器有所不同。仅简单的把DH激光器的有源层做薄，并做成SQW或MQW结构，由于与光波长相比QW层厚度较薄的缘故，光波限制减弱，对波导光的有限增益变小，所以不能实现高性能的激光器。另外，由于MQW结构具有许多异质结面，不容易获得较高的载流子注入效率；由于QW的厚度薄，产生注入载流子泄露，降低了有效地载流子注入效率。为了解决这些问题。用图所示的各种改良结构，来实现量子阱激光器。在限制载流子的QW有源层外侧，设置光波限制用的折射率结构。这是一种分类限制异质结结构及其变形[3]。

3.1 方势阱量子阱

最基本的半导体异质结量子结构是方势阱结构，即半导体极薄层被带隙大的半导体层夹住的结构该结构如图所示，把薄膜区称为阱，夹着阱的层称为势垒。

方量子阱分为对称方量子阱、不对称方量子阱。通常人们研究的量子阱是对称的，即势阱两侧的势垒高度是相同的. 对称量子阱中的电子、电子-声子的相互作用以及激子、激子-声子的研究取得了很多重要的成果. 人们用连介质模、LLP( Lee-Low-Pines)变换研究了对称方势阱中的电子-声子相互作用，得到了电子-声子的基态能量等特性;

采用变分法计算了对称方势阱中的激子结合能. 在变分法的基础上，He用分数维模型研究了各向异性体材料中的万尼尔激子性质，随后，分数维方法被广泛应用于讨论低维系统的激子态，得到了令人满意的结果，近年来还被用于研究极化子问题,在对称量子阱中，系统的很多参量，例如粒子的约化质量、运动的受限长度、分布概率具有相应的对称性，研究过程和结果相对简单. 在实际的器件应用中，往往面临非对称量子阱的问题。对于非对称方势阱，随着一侧势垒的降低，分数维增大. 计算得到的量子阱中的激子基态能量及声子对其影响如下:随着势阱宽度增加，激子能量先减小后增大，出现一个最小值;当阱宽固定时，激子能量随着一侧势垒高度的减小而增大. 分析显示声子影响使激子的能量显著增大，且这个变化随阱宽的减小出现一个最大值. 非对称方势阱中的激子结合能随阱宽的减小而单调增大;对于相同的阱宽，随一侧势垒的增大，其随着分数维的减小而相应增大[4]。

（1）不对称方量子阱（2）对称方量子阱

图3-1 方量子阱结构示意图

3.2 阶梯型量子阱

阶梯量子阱相对于普通的方形量子阱具有对称性人工破缺的特点不同能级波函数

空间分布有较大的区别，以此为基础，在合适的参数选择下，可以在阶梯量子阱结构中实现Stark位移比方阱大两倍左右的结果[5]。