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; characteristics1 引言1962年后期，美国研制成功GaAs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。图3-2 变形单量子阱（MSQW） 结构示意图 3.3 渐变型量子阱 渐变方式对量子阱激光器电流注入效率有很大的影响。在量子阱激光器中采用分别限制结构层( separate confine heterostucture, SCH )是比较成熟的方法, 可以加强光波导约束从而提高光增益, 解决了薄的有源层限制光波困难问题. 但在激光器中引入较长的SCH层也带来其它的一些问题, 如引起调制响应下降、电流注入效率变小等, 我们可以把器件的电流注入效率定义为注入到有源区的电流量与注入到激光器的总电流量的比值, 这是一个能影响激光器的基本特性如阈值电流的重要参量. 一般来说, 器件的注入效率主要由2个因素来决定, 一是电子驰豫进入阱中的速率与在此之前发生直接复合速率两者比值的大小, 其次是在阱中发生的直接复合速率与其它结构层(主要是SCH 层)中直接复合速率的比例大小. 驰豫速率也就是阱对载流子的捕获时间, 捕获时间( 10- 100 ps)比复合时间( 1-10 ns)要小得多, 基于这一点, 认为载流子应该按准费米能级基本上是均衡分布的, 因此电流注入效率主要是由第2个因素来决定. 相对于突变方式而言, 渐变方式能拉平异质结的尖峰, 而且能形成有利于载流子加速的内建电场,使阱能更快地收集注入的载流子, 所以可以肯定采用渐变SCH 结构比阶跃形( step)有更大的电流注入效率6。图3-3 渐变型量子阱结构示意图3.4 多量子阱 在许多个QW堆积起来的结构中，势垒比较厚，能够忽略阱之间耦合的结构称为多量子阱（MQW）。对于InGaN/GaN多量子阱结构，阱宽和垒厚对的光电子学特性有很大的影响。随着阱宽和垒厚的增加,InGaN/GaN多量子阱结构的辐射峰值波长出现一定程度的红移,辐射强度也有所降低。极化效应产生的极化电场能够减小InGaN/GaN多量子阱结构导带和价带间的带隙宽度,并使电子和空穴的分布产生空间分离。与不考虑极化效应的结果对比得出,在极化效应的影响下,InGaN/GaN多量子阱结构的光电子学特性对阱宽和垒厚的依赖性增强7。 （1） （2）图3-4 多量子阱（MQW）结构示意图3.5 应变量子阱 含有量子阱的DH结构，通常油晶格匹配的半导体合金相互组合而构成，但是及时纳米以下的薄量子阱，也可以由与周围势垒的晶格不匹配的晶体组成。阱的晶格常数比势垒的晶格常数大时，成为具有压应变的应变量子阱经；与此相反，成为具有张应变的应变量子阱。典型的例子是InGaAs阱/GaAs势垒以及InGaAs阱/InP势垒，前者为压应变型，后者按照组分可以实现两种变形。这样的应变使量子阱的能到变形，所以根据适当的设计就能都改善半导体激光器的性能，获得有用的特性8。（1）无应变 （2）压应变 （3）张应变图3-5 应变量子阱最重要的应变效应是空穴的有限质量减少，与此同时价带的曲率增大。压应变与张应变都显示出这个倾向，但前者更为显著。在应变量子阱中，如图2、3所示，导带与价带的平衡得到改善，在同一带间产生准费米能级差所需要的载流子密度变小，反转分布所需要的载流子密度就减少。因此降低了透明化密度，同时也增大了微分增益，由适当的设计可以获得改善率达到2的显著效果。在没有应变的半导体内，重空穴带与轻空穴带顶端是简并的，但加上应变，如图2、3所示，在压应变时重空穴带的顶端，在张应变是轻空穴带的顶端成为价带的顶端。由这个能带结构可知，在压应变时电子-重空穴间（E-HH）的跃迁、张应变时电子-轻空穴（E-LH）间的跃迁成为主要的跃迁。因为HE-H跃迁对TE波的放大有贡献，E-LH跃迁对TM波的放大有贡献，因此给以适当的应变，能够控制放大特性的偏振关系9。4 量子阱激光器的特点及其结构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hvE1cE1vEg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长就小于其所对应的波长，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Ln，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，AlGaInAs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。图4-1 半导体量子阱能级结构示意图，Ec和Ev为导带和价带的带隙差半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称。最初实现激射的注入型激光器是由单一结晶材料GaAs制成的PN结，即同质结构二极管。为了满足激射条件需要非常大的注入电流密度（50kA/cm2）,因此只限于低温脉冲震荡。为了获得温室连续激射等使用性能，随后开发的是双异质结结构（DH）激光器。DH结构是在GaAS衬底上用多层结晶生长法制成，激光活性材料GaAs的厚度约为0.1um，两侧被AlGaAs层夹着，形成了两个不同材料间的结，而AlGaAs的带隙能量比GaAs的大，GaAs层称为有源层，AlGaAs层称为包覆层，两侧的包覆层分别参杂形成P型与N型。将半导体晶体做成的DH结构与衬底一起劈开，形成一对与有源层垂直的端面。这个半导体与空气的边界对于波导模的光波成为反射面，起着反馈的作用。因为半导体的折射率高，在端面可以得到35%的反射率。这种结构与两面镜子相对而构成的法布里-珀罗光谐振器相类似，称这个激光器为法布里-珀罗（FP）激光器。DH结构激光器的有源层的厚度约为0.1m（10nm），这个波长比电子波波长大得多，有源层离得载流子可以作为粒子来处理。有源层厚度在10nm以下时，这个厚度与电子波波长成为同一数量级的值，载流子波动性的量子论特性就显示出来了10。有源层与周围的包覆层形成宽度很窄的阱状势垒，电子和空穴作为满足薛定谔方程式与边界条件的波动被限制在这个量子阱（QW）中。出现了与通常DH结构不同的增益频谱和偏振关系，适当的设计量子阱，在激光器的高性能上能够实现有效的发光特性。5 小结本文首先对量子阱进行了定义，再对量子阱激光器的特点给予了定性的分析。方形量子阱、阶梯型量子阱、渐变量子阱、多量子阱及应变量子阱各有其特点和优势。适当的设计量子阱，在激光器的高性能上能够实现有效的发光特性。参考文献1 江剑平.半导体光电子学M. 电子工业出版社,2000,20（6）：60-96.2 黄德修.半导体器件及其应用 M. 国防工业出版社,1999,14（8）：20-84.3 马迎建, 宋彭, 武学英. 外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究J. 传感器与微系统, 2011,30(4):51-56. 4 关宝璐, 郭霞, 张敬兰, 任秀娟, 郭帅, 李硕, 揣东旭, 沈