物理效应与传感器作业

1、半导体异质结遂穿电子发光效应半导体异质结遂穿电子发光效应（激光）（激光）数理硕1303班 庞曼曼 s20131143 半导体异质结半导体异质结遂穿电子发光效应（激光）遂穿电子发光效应（激光）内容一、一、半导体激光器的发展历程半导体激光器的发展历程二、二、异质结半导体激光器异质结半导体激光器三、三、量子阱激光器量子阱激光器 概述、原理、特点、类型、应用、概述、原理、特点、类型、应用、最新研究成果、前最新研究成果、前景、诺贝尔奖相关景、诺贝尔奖相关发展历程半导体激光器的半导体激光器的发展历程发展历程：第一个阶段是随着半导体物理的发展， 1962年以美国的三个研究小组几乎同时宣布观察到同质结GaAs

2、的pn结中的受激辐射现象，这标志着半导体激光器的诞生，半导体激光器时代从此开始（同质结型激光器同质结型激光器）。第二阶段是单异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如GaAs , AlGaAs所组成,最先出现的是单异质结构激光器单异质结构激光器。第三阶段是以人们发明了激光波长为9 000 在室温下连续工作的双异质结双异质结GaAs-GaAlAs( 砷化稼一稼铝砷) 激光器激光器为代表.第四阶段在1978 年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器量子阱激光器(QWL) ,它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能，标志着半导体激光器的发展进入了第四阶段。（量子阱激光器,量子阱半导体激

3、光器与双异质结(DH) 激光器相比,具有阈值电流低、输出功率高,频率响应好,光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点）。异质结半导体激光器异质结 异质结就是禁带宽度不同的两种材料，在原子尺度上形成完美界面的材料，由于这两种材料的能带结构不同，因而在界面上的能级匹配就有很多变化，还可以把各种类型的异质结结合在一起充分发挥它们的功能。最基本的接触界面有：半导体与半导体，金属与半导体以及绝缘体与半导体之间的界面。由两种不同的半导体材料组成的结就称为半导体异质结。 异质结 在半导体异质结中，如果两种半导体材料的晶格常数相差很大（大于1%），由于晶格失配，在交界面处形成许多缺陷能级，这是一些

4、使发光猝灭的深能级。因而在实际应用中，例如，选作激光二极管的半导体异质结则应是由晶格匹配的两种半导体组成。在晶格匹配的半导体异质结中，两种材料在界面处相互渗透或扩散会形成一层过渡层，过渡层的厚度小于几个原子层的结称为突变结，过渡层大于这一厚度的结则为缓变结，突变异质结是一种理想的情况。 基本条件基本条件：1、载流子反转2、谐振腔：多次反馈，形成振荡（略）3、满足阈值条件，使增益损耗（略）异质结半导体激光器的工作原理 (b) 受激吸收 hE2E1E2E1 产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位hE2E1E2E1(a) 受激辐射 导带 价带 导带 价带正常分布反转分布产生激光的必要条件：粒子数反

5、转分布 为了实现粒子数反转，P、N区都必须重参杂，一般达 。经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫做扩散区。在n区得边界处也有向n内部扩散得空穴流。非平衡状态下PN结的能带。1.正向偏压V使n区的能带及Fermi都相对于P区降低eV。2.非平衡态载流子的存在使Fermi能级分离成 导带和价带的准Fermi能级。准Fermi能级偏离Fermi能级的情况由非平衡载流子的浓度来决定。vfEGE31810cm 3.n区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。 不变。4.由于耗尽层极窄，结区的准 可认为与n区相同。5.p区电子是少数非平衡载流子，影响显著，由于非平衡载流子随着深入p

6、区而减少，故导带的准 随深入p区而减少，直到非平衡载流子的0处与p区 重合为止。fEcfEfEpfE价带的 相似。p区不受非平衡载流子的影响。结区与P区相同，在n区随非平衡载流子的减少而减少。vfE在结区及其两侧出现了双简并or形成粒子数反转分布，变成激活区叫做作用区or有源区。量子阱激光器量子阱激光器量子阱激光器 随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜(Eg-b,量子阱激光器的输出波长输出波长通常要小于小于同质的体材料激光器。(4)在导带中子能带沿 的分布仍是抛物线型，而在价带中却远非如此，这是由于重空穴带和轻空穴带混合（mixing）并相互作用所致，这使得价带的能态密度分布并不象

7、右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度能态密度增大，加剧了价带和导带能态密度的不对称不对称，提高了阈值电流阈值电流，降低了微分增益微分增益，从而使激光器的性能，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。补充：节选参考文献中的部分图形（补充：节选参考文献中的部分图形（InOaAsP） 量子阱激光器的特点量子阱激光器的特点 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h vE1cE1v E g，即光子能量光子能量大于材料的禁带禁带宽度宽度。相应地，其发射波长凡小于几所对应的波长九，即出

8、现了波长蓝移波长蓝移。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 L n，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，A l G a I n A s量子阱激光器的特征温度马可达150K150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要。

9、 量子阱激光器的类型量子阱激光器的类型1.量子线激光器量子线激光器世界上第一只量子线激光器样品是由美国Bellcore公司研制的。这种新型激光器所需电流，只有目前用于CD唱机上的普通二极管激光器的十万分之一。量子线激光器是通过其“心脏”部分的一个极小的线状的芯而将电转化为光的，由于它的工作电流将比以前的激光器小得多，故在未来的信息处理装置中将是非常有用的。量子线激光器所需激活电流极低，能够在电路之间起到微型光通讯系统的作用。2.量子点激光器量子点激光器量子点激光器的性能与量子阶激光器或量子线激光器相比，具有更低的阈值电流密度、更高的特征温度和更高的增益等优越特性。这主要由于在量子点材料(又称零

10、维材料)中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流于态密度与能量关系为6函数，因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等，极大地改善了材料的性能。因此，不但在基础物理研究方面意义重大，而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景。 量子阱材料特别是应变量子阱的引入给半导体激光器的发展注入了新的活力，各波段低阈值大功率的 CW半导体激光器相继研制成功，从而推动了相关应用领域的进一步发展。量子阱激光器应用量子阱激光器应用1、量子阱结构使垂直腔表面发射激光器（VCSEL）所谓表面发射是相对于一般端面发射激光器而言，光从垂直于结平面的表面发射。而所谓垂直腔是指激光腔方向（光子振荡方向

11、）垂直于半导体芯片的衬底，即光子振荡方向与光出射方向一致。有源层厚度即为腔长，由于有源层很薄，要在如此短的腔内实现低阈值振荡，除了要求有高增益的有源介质外，还要求有高的腔面反射率，这只有到80年代用MBE和MOCVD等技术制成量子阱材料和分布bragg反射器（DBR）后才有可能。在1984年和1988年先后实现了VCSEL的室温脉冲和连续工作，随着技术的不断改善，其性能迅速提高。VCSEL体积小，阈值低，功耗低，便于制成大规模二维列阵激光器，方便与光纤高效耦合，而且可以输出窄线宽，发散角小的单纵模激光。可用于泵浦固体激光器，光信息并行处理等，它的特点也决定了其在光子集成（PIC）和光电子集成（

12、OEIC）中的重要地位。2、 变量子阱激光器进一步推动了光纤通信的发展 半导体激光器由于具有体积小，价格低，可以直接调制等优点，已成为光纤通信系统重要组成部分，大容量光纤通信的发展对半导体激光器提出了更高的要求，而量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器具有好的动态特性，低的阈值电流，再引入光栅进行分布反馈（DFB），成为目前高速通信中最为理想的激光源。3、红光半导体激光器逐渐取代传统的气体激光器 1991年报道了第一个发射波长为634nm（红）的InGaP/InGaAlP应变量子阱激光器，输出功率超过600mW，阈值电流密度为1.7kA/cm2。半导体红光激光器的光束质量不断提高，并以其体积小

13、，价格便宜等优点向传统的He-Ne激光器提出挑战，并在光信息存储，条形码扫描，激光打印和复印及医学等方面的应用上逐步取代了He-Ne激光器的部分市场。4、蓝绿光激光器 尽管蓝绿光LED早已广泛应用，但相应的半导体激光器却经历了一个相当困难的阶段才开始逼近市场，其中研究较多的是蓝绿光的材料体系和包括掺杂在内的与之相容的材料生长工艺。近几年，蓝绿光半导体激光器取得了几个阶段性的进展。 蓝绿激光的发射需宽带隙（3eV左右）材料，目前研究较多并取得较大进展的材料为III族氮化物（GaN,AlN,InN）。日本日亚（Nichia）化学工业公司Nakamura等人在1997年制作了可连续工作10000小时

14、的InGaN多量子阱蓝光激光器多量子阱蓝光激光器。 由三层35A厚的Si：In0.15Ga0.85N阱层和70A厚的In0.02Ga0.98N垒层组成多量子阱。激射波长为405.83nm，20时阈值电流为80mA。 蓝光激光器的发展提高了信息存储的容量，并推动海洋探测技术的发展。对海水来说，蓝绿激光是一个透明窗口，在军事上，可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置和潜艇通信、潜艇导航及鱼雷跟踪，在环境科学方面，可以用于海洋污染监测，海底行貌成像等。量子阱和超晶格的近期进展：量子限制斯塔克效应QCSE超晶格子能带的电子研究量子阱超晶格光电接收器WannierStark效应超晶格红外级联激光器超晶格布

15、洛赫振荡我国研究成果我国研究成果 半导体所纳米光电子实验室和超晶格国家重点实验室分子束外延(MBE)课题组首先深入系统地研究了InGaAsSb、AlGaAsSb等异质结和量子阱材料的分子束外延生长，通过优化生长温度、V/III族元素束流比等参数，掌握了As/Sb界面控制、应变控制、掺杂等核心技术。在获得了1.7-2.3m的室温发光量子阱材料基础上，进一步研究了激光器台面腐蚀(刻蚀)、电极制备等工艺，获得了侧壁陡峭的脊型台面、n-GaSb欧姆接触电阻率110-4cm2的激光器结构。 结 合 激 光 器 外 延 生 长 和 锑 化 物 工 艺 ， 研 制 出InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱

16、激光器。激光器采用FP腔窄条8*800m结构，工作电流450mA时激射波长1.995m，激射谱半高宽0.35nm。室温连续工作下出光功率达到82.2mW（如图1所示）。进一步提高工作温度至80时激光器仍可以连续工作，出光功率达到63.7mW，是目前已有报道的最好结果。 中科院量子级联激光器研究获新进展 量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源，其工作原理与常规的半导体激光器是截然不同的。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成(通常大于500层)而

17、实现单电子注入的多光子输出。量子级联激光器的指纹特征是工作波长与所用材料的带隙无直接关系，仅由耦合量子阱子带间距决定，从而可实现对波长的大范围剪裁。量子级联激光器的出现开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河，在中、远红外半导体激光器的发展史上树立了新的里程碑。 中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室近期在量子级联激光器研究中取得突破性进展。研制出了世界上第一个短腔长单模应变补偿铟镓砷/铟铝砷(InGaAs/InAlAs)量子级联激，波长7.8微米，阈值电流仅为80毫安。在磷化铟(InP)基器件方面，实现了5.49微米应变补偿铟镓砷/铟铝砷量子级联激光器50度激射，连续工作温度2

18、30K，84K的准连续激射输出功率达660毫瓦，室温准连续功率为46毫瓦。研制出7.8微米应变补偿二级光栅分布反馈铟镓砷/铟铝砷量子级联激光器，连续工作温度128K，目前国际上对二级光栅分布反馈量子级联激光器的报道很少，这是世界最好的研究结果之一。在砷化镓基器件方面，研制出亚洲第一个镓砷/铝镓砷量子级联激光器，波长9.1微米，其81K下的准连续功率大于350毫瓦，标志着我国红外量子级联激光器研究进入世界前列。 量子阱激光器前景量子阱激光器前景量子阱半导体激光器 与 光纤通信量子阱半导体激光器 与 光纤通信量子阱半导体激光器 与 光纤通信量子阱半导体激光器 与 生物医学量子阱半导体激光器 与 生

19、物医学图文图文: 2000年诺贝尔物理学奖揭晓年诺贝尔物理学奖揭晓东方网月日消息:瑞典皇家科学院今天宣布，俄罗斯科学家泽罗斯阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特克勒默和杰克基尔比，因“发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”为现代信息技术奠定坚实基础，而获得本年度诺贝尔物理学奖。泽罗斯阿尔费罗夫年出生于白俄罗斯的维捷布斯克，年在俄罗斯圣彼得堡约费物理技术研究所获物理和数学博士学位，并从年开始任这家研究所的所长。赫伯特克勒默年出生于德国，年在德国格丁根大学获物理学博士学位。阿尔费罗夫和克勒默因为发明了基于层状半导体结构的快速光电子和微电子元件，而获得今年的诺贝尔物理学奖。利用这种所谓“半导体异质结构”技术

20、而制造出的快速晶体管，目前已在卫星无线电通信和移动电话基站上得到应用。利用该技术制造出的激光二极管，也广泛应用于条形码阅读仪和光盘播放机等产品。另外，“半导体异质结构”技术还可用于制造发光二极管，不仅汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管，常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。岁的杰克基尔比出生于美国密苏里州杰斐逊城，自年来在美国得克萨斯仪器公司工作。基尔比获诺贝尔奖，是因为在发明和开发集成电路芯片上作出了重要贡献。集成电路的发明，使微电子元件成为所有现代技术的基础。(新华社)【关闭窗口】2000诺贝尔物理学领域诺贝尔物理学领域2012诺贝尔物理学领域诺贝尔物理学领域近日，在瑞典首都斯德

21、哥尔摩的卡罗琳斯卡医学院，瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会将2012年诺贝尔物理学奖授予了两位科学家法国物理学家塞尔日-阿罗什与美国物理学家戴维-瓦恩兰，获奖评语为“提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子系统成为可能”。阿罗什与瓦恩来各自所带领的研究小组，分别发展出实用的实验方法，以测量并操控非常脆弱的量子态。我们可以通过瓦恩兰的实验来了解这一过程，当瓦恩兰俘获带电原子（离子）后，开始利用光（光子）对其进行测量和操控。所俘获的物质离子被隔离在冷（超低温）环境中，防止被周围环境干扰。瓦恩兰巧妙的使用激光束以及激光脉冲不断抑制离子的热运动，从而使离子的动能降为零，从而进入特定的量子叠加态中（

22、叠加态正是量子世界里最神秘的特性）从而保持住了单个粒子的量子特性。不仅仅是以阿罗什和瓦恩兰为代表的外国学者近年来致力于该领域的研究，国内也有越来越多的人从事着光与物质粒子相互作用的研究，如冷原子研究，并且取得了很多可喜的成果。而冷原子研究所使用的半导体激光的管供应商德国eagleyard公司，也越来越为国内冷原子领域的工作者所熟知。 在冷原子研究的相关实验平台中，需要使用到激光冷却、俘获与操控的原理。激光冷却是依靠光对原子的机械作用力及相关的光与物质粒子的相关效应来实现的，这里就用到了可靠性高而操作简单的半导体激光器。不同于我们常规使用的通信用半导体激光器，冷原子实验应用的半导体激光器的波长需

23、要精确对应原子跃迁吸收谱线，并且对线宽和功率均有较高要求，如该公司的分布反馈式（Distributor Feedback Bragg）半导体激光管的中心波长为852nm，用于Cs原子的冷却与俘获，线宽可以达到1MHZ以下，自由空间出光功率最大可达150mW。除此之外，该公司现有的分别对应Rb原子D1和D2跃迁吸收线的795nm和780nm半导体激光管产品在冷原子实验平台中也均有优异的表现。当然，由于产品指标的优越和工艺的复杂性，分布反馈式的激光管往往在成本上不那么容易被接受，而且分布反馈式激光管在出厂时中心波长已经确定，标准产品只能对应若干种原子的跃迁吸收谱线，而且“波长可调”范围比较小，对于一些使用其他物质粒子做实验的研究者来说，具有一定的局限性。 为解决此问题，该公司推出了使用独特镀膜工艺用于外腔结构的激光管产品RWE系列产品，RWE系列产品是在脊状波导的基础上通过在芯片出光端面镀增透膜破坏芯片内部的谐振腔结构从而使输出光谱范围增大，覆盖大多数常用的原子跃迁吸收谱线。研究者通过增加外腔结构来调