(最新整理)半導(dǎo)體超晶格和量子阱課件

(最新整理)半導(dǎo)體超晶格和量子阱2021/7/261(最新整理)半導(dǎo)體超晶格和量子阱2021/7/261半導(dǎo)體超晶格和量子阱2011年11月30日2021/7/262半導(dǎo)體超晶格和量子阱2011年11月30日2021/7/26半導(dǎo)體超晶格和量子阱§1引言§2超晶格和量子阱的一般描述

§3超晶格量子阱中的新現(xiàn)象

§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)§6超晶格和量子阱器件參考書:“半導(dǎo)體超晶格物理學(xué)”夏建白等，上?？茖W(xué)出版社，1994“半導(dǎo)體超晶格-材料與物理”黃和鸞等,遼寧大學(xué)出版社，1991“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理”虞麗生，科學(xué)出版社，20062021/7/263半導(dǎo)體超晶格和量子阱§1引言2021/7/263§1引言

1970年IBM公司江崎(Esaki),朱兆祥(Tsu)：“SuperlatticeandNegativeDeferentialConductivityinSemiconductors”

，

周期性地外延生長半導(dǎo)體超晶格：微帶結(jié)構(gòu)，布里淵區(qū)大大縮小，負微分電導(dǎo)。

1971年第一個GaAs/AlxGa1-xAs人工周期結(jié)材料:“L.Esaki,L.L.Chang.R.Tsu,12thLowTemp.Phys.Kyoto,JapanP.551”

1972年觀察到負微分電導(dǎo)，輸運的振蕩現(xiàn)象，微帶結(jié)構(gòu)。

隨后，新穎的物理現(xiàn)象被揭示，新理論被提出，與之相應(yīng)的高性能的新型器件被研究和開發(fā)。2021/7/264§1引言2021/7/264直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料在區(qū)內(nèi)材料原則上都可組成異質(zhì)結(jié)超晶格圖中的連線是指這些材料都可形成特定的合金低溫下具有金剛石、閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與晶格常數(shù)的關(guān)系(4.2K)2021/7/265直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料低溫下具有金剛超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運動不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。AB§2超晶格和量子阱的一般描述2021/7/266超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgA?Ec?EvE2E1多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢壘的寬度：當勢壘很寬時電子不能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當勢壘足夠薄使得電子能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。2021/7/267超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格（2）摻雜調(diào)制超晶格（3）應(yīng)變超晶格（4）多維超晶格（5）非晶態(tài)半導(dǎo)體的超晶格（6）半磁超晶格（7）漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。2021/7/268超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁（1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。2021/7/269（1）組分調(diào)制超晶格2021/7/269

按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價帶的對準情況，江崎把異質(zhì)結(jié)分為三類：Ⅰ型異質(zhì)結(jié):窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。2021/7/2610按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價帶的對準情況，江崎把異質(zhì)結(jié)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：*ⅡA類超晶格：材料1的導(dǎo)帶和價帶都比材料2的低，禁帶是錯開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點，躍遷幾率小，如GaAs/AlAs超晶格。2021/7/2611Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：2021/7

ⅡB類超晶格：禁帶錯開更大,窄帶材料的導(dǎo)帶底和價帶頂都位于寬帶材料的價帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb超晶格。2021/7/2612

ⅡB類超晶格：禁帶錯開更大,窄帶材料的導(dǎo)帶底和價

Ⅲ類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質(zhì)量為負，將形成界面態(tài)。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。2021/7/2613

Ⅲ類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后2021/7/26142021/7/2614（2）摻雜調(diào)制超晶格在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。優(yōu)點:(1)任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。(3)摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。2021/7/2615（2）摻雜調(diào)制超晶格優(yōu)點:2021/7/2615（2）摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢在晶體中形成周期性變化的勢，例如n-i-n-i結(jié)構(gòu)超晶格。2021/7/2616（2）摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢在晶體中形成（3）應(yīng)變超晶格

初期研究超晶格材料時，除了A1xGa1-xAs／GaAs體系以外，對其他物質(zhì)形成的超晶格的研究工作不多。原因：晶格常數(shù)相差很大，會引起薄膜之間產(chǎn)生失配位錯而得不到良好質(zhì)量的超晶格材料。解決方法：當多層薄膜的厚度十分薄時，在晶體生長時反而不容易產(chǎn)生位錯。即，在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生。因此，巧妙地利用這種性質(zhì)，可制備出晶格常數(shù)相差較大的兩種材料所形成的應(yīng)變超晶格。

SiGe／Si是典型應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般Si器件更高速工作的電子器件。2021/7/2617（3）應(yīng)變超晶格2021/7/2617（4）多維超晶格一維超晶格與體單晶比較具有許多不同的性質(zhì)，這些特點來源于它把電子和空穴限制在二維平面內(nèi)而產(chǎn)生量子力學(xué)效應(yīng)。進一步發(fā)展這種思想，把載流子再限制在低維空間中，可能會出現(xiàn)更多的新的光電特性。用MBE法生長多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)，通過光刻技術(shù)和化學(xué)腐蝕制成量子線、量子點。2021/7/2618（4）多維超晶格2021/7/26183.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffect)3.2共振隧穿效應(yīng)3.3超晶格中的微帶3.4聲子限制效應(yīng)3.5二維電子氣§3超晶格量子阱中的新現(xiàn)象2021/7/26193.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinement3.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffect)

量子阱寬度小于電子運動的Bloch波長，電子在垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)面的方向（z方向）的運動約束到一系列分裂的能級。設(shè)勢能有效質(zhì)量方程分析（前提：勢能在空間緩變，即要求阱寬遠大于晶體的晶格常數(shù)）（3-2）（3-1）2021/7/26203.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementx，y平面中的運動是有效質(zhì)量為m*的自由電子運動，而z方向上的運動是在一維量子阱中的運動，通常具有量子化的束縛能。2021/7/2621x，y平面中的運動是有效質(zhì)量為m*的自由電子運動，而z方向3.2共振隧穿效應(yīng)當外加電壓使量子阱中能級與外電極費米能級或鄰近阱中的電子態(tài)一致時,電子可穿過勢壘到鄰近阱中所對應(yīng)的能級,隧穿幾率幾乎為1。而與相近鄰阱中的能級不一致時隧穿幾率為零。一維雙勢壘超晶格結(jié)構(gòu)的隧穿特性2021/7/26223.2共振隧穿效應(yīng)當外加電壓使量子阱中能級與外電極費米能級實驗測量的是隧穿電流與電極上外加電壓的關(guān)系。當外加電壓變化到量子阱中的束縛態(tài)能級與發(fā)射極電子的費米能級對齊時，電流達到極大，dI/dV=0。實驗測得的（dI/dV)-V曲線上發(fā)現(xiàn)有兩個極值dI/dV=0，說明量子阱中有兩個束縛能級。張立綱等首先在GaAs/AlxGa1-xAs雙勢壘結(jié)構(gòu)中觀察到共振隧穿現(xiàn)象。2021/7/2623實驗測量的是隧穿電流與電極上外加電壓的關(guān)系。當外加電壓變化到超晶格中的微帶形成3.3超晶格中的微帶(miniband)和態(tài)密度布洛赫振蕩萬尼爾-斯塔克效應(yīng)

超晶格勢壘區(qū)較薄時，阱中量子化的孤立能級相互耦合而成微帶結(jié)構(gòu)。微帶有載流子公有化運動。超晶格布里淵區(qū)小，帶寬小，呈現(xiàn)一系列新現(xiàn)象:2021/7/2624超晶格中的微帶形成3.3超晶格中的微帶(miniband)類似于電子態(tài)，聲子態(tài)也有量子約束效應(yīng)。

聲學(xué)聲子，兩種材料的聲子譜相似，超晶格的聲學(xué)聲子是兩種體材料聲子譜的“折疊”。光學(xué)聲子，兩種材料的譜不同，光學(xué)振動模約束在各自材料中，聲子譜分裂成系列離散的聲子頻率，無色散關(guān)系。3.4聲子限制效應(yīng)2021/7/2625類似于電子態(tài)，聲子態(tài)也有量子約束效應(yīng)。聲學(xué)聲子，兩種材

目前,二維電子氣主要以下面三個方式實現(xiàn)：（1）MOSFET（2）超晶格（3）液He表面MOSFET示意圖3.5二維電子氣2021/7/2626目前,二維電子氣主要以下面三個方式實現(xiàn)：MOSFEMOSFET的電子能級結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體反型層三角形勢阱在極低溫度下,界面勢阱使電子失去了沿z方向運動的自由度，被凍結(jié)在最低的量子化子能級E0上，電子波函數(shù)被局域在界面勢阱的范圍之內(nèi)。在這種情況下，電子只能沿界面作自由運動，故可視作二維電子氣。2021/7/2627MOSFET的電子能級結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體反型層在極低溫度下,界面勢GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的電子能級結(jié)構(gòu)——

最接近理想的二維電子系統(tǒng)2021/7/2628GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的電子能級結(jié)構(gòu)——最接

由于GaAs/AlGaAs是晶體匹配的材料體系。利用現(xiàn)代分子束外延生長技術(shù)幾乎可以獲得原子級平整的界面，大大減少了界面缺陷和界面粗糙度對輸運性質(zhì)的影響。超高真空下分子束外延生長保證了GaAs、AlGaAs本征材料的純度可達到1013cm-3的水平。更為重要的是，施主雜質(zhì)在離界面一定距離以外的AlGaAs一側(cè)，而電子被轉(zhuǎn)移到窄能隙的GaAs側(cè)界面勢阱內(nèi)，遠離產(chǎn)生它的電離施主，使它們感受到的庫侖散射作用大大減弱，極大地提高了二維電子氣在低溫下的遷移率。為什么說GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)是最接近理想的二維電子系統(tǒng)？2021/7/2629由于GaAs/AlGaAs是晶體匹配的材料體系。

這意味著GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)已將雜質(zhì)、缺陷等對二維電子系統(tǒng)的“干擾”降低到最低限度，這才使電子間的多體相互作用顯得更為重要起來。因此，從某種意義上說，性質(zhì)優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為整數(shù)量子Hall效應(yīng)和分數(shù)量子Hall效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)提供了必要條件。迄今為止,GaAs/AlGaAs調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)能獲得的電子遷移率已高達1×107cm2/V·s。2021/7/2630這意味著GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)已將雜質(zhì)、缺陷等2021/7/26312021/7/2631§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)4.1吸收光譜實驗4.2激子光譜4.3激子的飽和吸收4.4室溫熒光特性超晶格光學(xué)性質(zhì)的研究除了傳統(tǒng)上的意義之外，超晶格的光吸收譜，熒光發(fā)射譜、激發(fā)譜、光反射譜、拉曼光譜等是研究超晶格電子結(jié)構(gòu)的主要手段，特別是光譜研究所揭示的超晶格量子阱新穎的光學(xué)性質(zhì)，為新器件原理提供了有效的實驗依據(jù)。2021/7/2632§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)4.1吸收光譜實驗超晶格光學(xué)性4.1吸收光譜實驗

阱寬l=400nm，量子效應(yīng)消失，對應(yīng)于GaAs的本征吸收光譜；阱寬l=21nm和14nm，量子效應(yīng)顯示出來，這些峰為電子從價帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)所對應(yīng)的吸收。Dingle等研究了上述量子阱中電子從價帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)時對應(yīng)的光吸收實驗。2021/7/26334.1吸收光譜實驗

阱寬l=400nm，量子效應(yīng)消

重、輕空穴激子GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱寬下激子吸收光譜。l表示GaAs阱寬，T=2K。隨阱寬的減少呈現(xiàn)臺階形的吸收譜，阱寬為400nm時階消失。2021/7/2634

重、輕空穴激子GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不4.2激子光譜

和體材料相比，量子阱的激子光譜有明顯不同的特征：（1）在低溫下量子阱的光譜中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位。（2）按照簡單的理論分析，輕重空穴各自形成獨立的子帶。（3）激子的束縛能和玻爾半徑將受阱寬Lz、電子和空穴勢阱的深度（?Ec和?Ev）的影響。（4）室溫下在量子阱吸收光譜中也能看到很強的激子吸收峰。2021/7/26354.2激子光譜和體材料相比，量子阱的激子光譜有明顯4.3激子的飽和吸收當光強比較小的時候，一般物體的光吸收系數(shù)和光強無關(guān)，稱之為線性光學(xué)吸收。當光強較大的時候，吸收系數(shù)可能隨著光強的增加而減小，出現(xiàn)了光吸收的飽和現(xiàn)象，稱之為非線性吸收。GaAs/AlGaAs多量子阱中的激子飽和吸收2021/7/26364.3激子的飽和吸收當光強比較小的時候，一般物體的光吸收系4.4室溫熒光特性由于量子限域作用：電子-空穴的復(fù)合發(fā)光效率顯著提高電子-空穴易形成激子發(fā)光藍移應(yīng)用：利用MQW結(jié)構(gòu)，可制備波長可調(diào)（尤其是藍光或紫外波長）和高效發(fā)光的LED和LD2021/7/26374.4室溫熒光特性由于量子限域作用：2021/7/2637GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室溫下的PL光譜GaN多量子阱藍色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖e-lhe-hh2021/7/2638GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室溫下的PL光§5超晶格和量子阱器件5.1量子阱激光器5.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件5.3量子阱超晶格光電接收器2021/7/2639§5超晶格和量子阱器件5.1量子阱激光器2021/7/25.1量子阱激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)相比，具有閾值電流密度低、量子效應(yīng)好、溫度特性好、輸出功率大、動態(tài)特性好、壽命長、激射波長可以更短等等優(yōu)點。目前，量子阱已成為人們公認的半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動力。5.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程5.1.2直腔面發(fā)射LD5.1.3新型的量子阱激光器5.1.4主要應(yīng)用與研究進展2021/7/26405.1量子阱激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異5.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程1976年，人們用GaInAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器。對于激光腔結(jié)構(gòu)，Kogelnik和Shank提出了分布反饋結(jié)構(gòu)，它能以單片形式形成諧振腔。Nakamura用實驗證明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反饋激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的動態(tài)單模激光概念，并用整體激光器驗證了這種想法。1977年，人們提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個器件。目前，垂直腔面發(fā)射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。自從Nakamura實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。1994年，一種具有全新機理的波長可變、可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器研制成功，且最近，在此又基礎(chǔ)上提出了微帶超晶格紅外激光器。2021/7/26415.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程1976年，人們用GaIn5.1.2直腔面發(fā)射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）：量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。根據(jù)光輸出方向與結(jié)平面的關(guān)系，LD可分為：（1）邊發(fā)射LD（EdgeEmittingLD）：光平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。普通LD都屬于這一類型。（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）:光垂直于結(jié)平面的方向輸出。VECSEL由東京工業(yè)大學(xué)Iga教授提出，但只有在量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。2021/7/26425.1.2直腔面發(fā)射LD（VECSEL-vertical（1）邊發(fā)射LD光反饋由材料解理面形成的反射鏡提供，光在有源層長度方向得到放大，平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。端面發(fā)射的常規(guī)半導(dǎo)體激光器2021/7/2643（1）邊發(fā)射LD光反饋由材料解理面形成的反射鏡提供，光在有源（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL）2021/7/2644（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL）2021/7/2644

由于VECSEL的特殊結(jié)構(gòu)，使得它與邊發(fā)射激光器相比有很多優(yōu)點：

諧振腔是通過單片生長多層介質(zhì)膜形成從而避免了邊發(fā)射激光器解理腔由于解理本身的機械損傷、表面氧化和玷污等引起激光器性能退化。因為諧振腔是由多層介質(zhì)膜組成，可望有高的光損傷閾值；可以做成二維面陣，能夠大規(guī)模集成，適宜于信息處理；因為VECSEL的腔長很短，所以縱膜間距很大，以實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作；可以實現(xiàn)極底閾值電流工作。2021/7/2645由于VECSEL的特殊結(jié)構(gòu)，使得它與邊發(fā)射激光器相比5.1.3新型的量子阱激光器（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器：量子阱結(jié)構(gòu)中，電子只受到一維的限制，在結(jié)平面內(nèi)仍維持二維的自由運動。如果對電子進行二維或三維的限制，就得到一維量子線和零維量子點結(jié)構(gòu)。（2）量子級聯(lián)激光器（QuantumCascadeLaser）：由數(shù)組量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起構(gòu)成的新型量子阱激光器。

（3）微帶超晶格紅外激光器：摻雜的超晶格有源區(qū)和摻雜的載流子注入?yún)^(qū)交替構(gòu)成級聯(lián)，在超晶格的第一激發(fā)態(tài)之能帶和基態(tài)子能帶之間產(chǎn)生受激輻射，即光躍遷發(fā)生在強烈耦合的超晶格的微能帶之間。2021/7/26465.1.3新型的量子阱激光器（1）低維超晶格——量子線、（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器ρ（E）EEEρ（E）ρ（E）這種更窄的態(tài)密度分布帶來更高的微分增益，將使得半導(dǎo)體激光器的特性進一步提高，如閾值電流降低，光譜線寬、調(diào)制速率、溫度特性等可以進一步改善。態(tài)密度分布（量子阱、量子線、量子點）2021/7/2647（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器ρ（E）EEEρ（E（2）量子級聯(lián)激光器從電子躍遷的方式上可分為斜躍遷和垂直躍遷兩種。斜躍遷量子阱級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)示意圖及P-I特性垂直躍遷量子阱級聯(lián)激光器部分導(dǎo)帶圖2021/7/2648（2）量子級聯(lián)激光器從電子躍遷的方式上可分為斜躍遷和垂直躍遷5.1.4主要應(yīng)用與研究進展（1）VECSEL（2）可見光半導(dǎo)體激光器：紅光半導(dǎo)體激光器和藍綠光激光器

（3）光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器2021/7/26495.1.4主要應(yīng)用與研究進展（1）VECSEL2021（1）VECSELVECSEL能夠大面積集成為線性或二位列陣（左圖），因此可以用于并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，被認為是fibertohome裝置的合適光源?？梢姽釼ECSEL激光器可用于光信號存貯系統(tǒng),以提高存貯密度。HudgingsJA(美國,加利弗尼亞大學(xué))演示了一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的VECSEL的新型集成光盤讀出頭。（右圖）另外VECSEL在未來的光互連領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?021/7/2650（1）VECSELVECSEL能夠大面積集成為線性或二位列（2）可見光半導(dǎo)體激光器紅光半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在光信息存儲、條形碼識別、激光打印、醫(yī)學(xué)方面，而藍綠激光在海洋探測中發(fā)揮作用。藍光激光器材料有（1）Ⅱ-Ⅶ化合物半導(dǎo)體ZnSe：Sony公司在1998年實現(xiàn)了514nm，室溫下連續(xù)工作400h。（2）Ⅲ族氮化物（GaN、AlN、InN）：有可能在420-370nm波段內(nèi)成為實用化激光器材料。2021/7/2651（2）可見光半導(dǎo)體激光器紅光半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在光信息存日本日亞（Nichia）公司1997年實現(xiàn)了410nm連續(xù)工作10000h的GaN基藍光LDInGaN多量子阱激光器的結(jié)構(gòu)圖2021/7/2652日本日亞（Nichia）公司1997年實現(xiàn)了410nm連續(xù)工（3）光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器

應(yīng)變量子阱材料半導(dǎo)體光放大器（SLA）具有寬且平的增益譜，易集成，低損耗，體積小，價格便宜等優(yōu)點，最重要的應(yīng)用是波長轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)靈活的波長路由。此外，還希望用其作為光傳輸系統(tǒng)中1310nm窗口的功率放大器，線路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非線性來作啁啾補償和色散補償。大功率半導(dǎo)體激光器主要用于泵浦固體激光器（DPSSL）、泵浦光纖放大器及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等。2021/7/2653（3）光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)變量子5.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計算機中的關(guān)鍵元件。發(fā)展半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的目標是小型化、快速、低功率和高溫工作。利用純GaAs體材料做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件室溫下工作時要求光脈沖高達10kW，而利用超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的激子飽和吸收做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件要求的輸入功率僅在100mW以下。

D.A.B.Miller等人提出了一種新型的混合的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)器件，它可在更小的光功率下工作，稱為自光效應(yīng)器件（SEED）。2021/7/26545.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計算自光電效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)2021/7/2655自光電效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)2021/7/2655自光電效應(yīng)器件的外接線路圖改變外電路電壓和電阻可以使開關(guān)的啟動功率和開關(guān)時間在較大范圍內(nèi)變動。2021/7/2656自光電效應(yīng)器件的外接線路圖改變外電路電壓和電阻可以使開關(guān)的啟5.3量子阱超晶格光電接收器量子阱或超晶格的導(dǎo)帶或價帶中的子能帶之間及子能帶和連續(xù)態(tài)之間的躍遷可以利用來做成量子阱紅外光電接收器（QWIP）。量子阱紅外光電接收器的能帶圖2021/7/26575.3量子阱超晶格光電接收器量子阱或超晶格的導(dǎo)帶或價帶中的GaN和ZnO量子阱的應(yīng)用發(fā)光二極管（LED）激光器（LD）2021/7/2658GaN和ZnO量子阱的應(yīng)用發(fā)光二極管（LED）激光器（LD）ZnO量子阱的激光發(fā)射領(lǐng)域的研究進展1998年，Tang等報道了生長在藍寶石（0001）上的ZnO外延層室溫下產(chǎn)生的激光發(fā)射，產(chǎn)生激光的閾值僅為24kW/cm2。（圖1）2000年，Ohtomo等報道了生長在晶格匹配ScAlMgO4襯底上的ZnO/Zn1-xMgxO超晶格高于室溫（373K）的受激發(fā)射，所需的閾值泵浦能量極低（11kW/cm2）。2007年，Ryu等研制出ZnO/ZnBeO薄膜型激光二極管，首次報道了ZnOMQWs的紫外電注入激光發(fā)射。最近，Sadofev等報道了ZnCdO/(Zn,Mg)O量子阱結(jié)構(gòu)在光泵浦下的室溫激光行為。（圖2）圖1圖22021/7/2659ZnO量子阱的激光發(fā)射領(lǐng)域的研究進展1998年，Tang等報ZnO/ZnBeO量子阱LEDRyu等首次報道了采用混合束沉積（HBD）技術(shù)生長出以ZnO/ZnBeOMQW作為有源層的ZnOLED。2021/7/2660ZnO/ZnBeO量子阱LEDRyu等首次報道了采用混合束沉ZnO/ZnMgO量子阱LED2021/7/2661ZnO/ZnMgO量子阱LED2021/7/2661GaN性能與應(yīng)用應(yīng)用信號燈汽車前照燈固體光源高容量存儲器激光打印液晶顯示屏等2021/7/2662GaN性能與應(yīng)用應(yīng)用2021/7/2662LED的研究進展由于量子阱結(jié)構(gòu)的加入，實現(xiàn)了藍紫光、藍光、綠光和黃光LED2021/7/2663LED的研究進展由于量子阱結(jié)構(gòu)的加入，實現(xiàn)了藍紫光、藍光、綠GaN量子阱研究進展1996年又成功研制了電注入條件下藍寶石襯底的InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)藍光LD，實現(xiàn)了直到當時為止最短波長的半導(dǎo)體。兩年后，該小組在GaN襯底上生長了壽命達到104小時以上，峰值波長為410nm，輸出功率為smw的InGaN/GaN/AIGaN藍紫光多量子阱LD。1999年初，日亞公司宣布開始商用化生產(chǎn)輸出功率為smw，峰值波長為400nm的藍紫光LD，并在2001年開始批量生產(chǎn)以作為下一代DVD光盤的光源。1995年，Nakamura帶領(lǐng)日亞研究小組采用InGaN/AlGaN單量子結(jié)構(gòu)，通過改變InGaN中In的組分含量實現(xiàn)了藍紫光、藍光、綠光和黃光LED。最近，采用InAlGaN四元合金多量子阱，提高了GaNLED深紫外發(fā)光效率。結(jié)構(gòu)右圖所示。2021/7/2664GaN量子阱研究進展1996年又成功研制了電注入條件下藍寶石2021/7/26652021/7/2665(最新整理)半導(dǎo)體超晶格和量子阱2021/7/2666(最新整理)半導(dǎo)體超晶格和量子阱2021/7/261半導(dǎo)體超晶格和量子阱2011年11月30日2021/7/2667半導(dǎo)體超晶格和量子阱2011年11月30日2021/7/26半導(dǎo)體超晶格和量子阱§1引言§2超晶格和量子阱的一般描述

§3超晶格量子阱中的新現(xiàn)象

§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)§6超晶格和量子阱器件參考書:“半導(dǎo)體超晶格物理學(xué)”夏建白等，上?？茖W(xué)出版社，1994“半導(dǎo)體超晶格-材料與物理”黃和鸞等,遼寧大學(xué)出版社，1991“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理”虞麗生，科學(xué)出版社，20062021/7/2668半導(dǎo)體超晶格和量子阱§1引言2021/7/263§1引言

1970年IBM公司江崎(Esaki),朱兆祥(Tsu)：“SuperlatticeandNegativeDeferentialConductivityinSemiconductors”

，

周期性地外延生長半導(dǎo)體超晶格：微帶結(jié)構(gòu)，布里淵區(qū)大大縮小，負微分電導(dǎo)。

1971年第一個GaAs/AlxGa1-xAs人工周期結(jié)材料:“L.Esaki,L.L.Chang.R.Tsu,12thLowTemp.Phys.Kyoto,JapanP.551”

1972年觀察到負微分電導(dǎo)，輸運的振蕩現(xiàn)象，微帶結(jié)構(gòu)。

隨后，新穎的物理現(xiàn)象被揭示，新理論被提出，與之相應(yīng)的高性能的新型器件被研究和開發(fā)。2021/7/2669§1引言2021/7/264直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料在區(qū)內(nèi)材料原則上都可組成異質(zhì)結(jié)超晶格圖中的連線是指這些材料都可形成特定的合金低溫下具有金剛石、閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與晶格常數(shù)的關(guān)系(4.2K)2021/7/2670直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料低溫下具有金剛超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運動不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。AB§2超晶格和量子阱的一般描述2021/7/2671超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgA?Ec?EvE2E1多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢壘的寬度：當勢壘很寬時電子不能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當勢壘足夠薄使得電子能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。2021/7/2672超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格（2）摻雜調(diào)制超晶格（3）應(yīng)變超晶格（4）多維超晶格（5）非晶態(tài)半導(dǎo)體的超晶格（6）半磁超晶格（7）漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。2021/7/2673超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁（1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。2021/7/2674（1）組分調(diào)制超晶格2021/7/269

按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價帶的對準情況，江崎把異質(zhì)結(jié)分為三類：Ⅰ型異質(zhì)結(jié):窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。2021/7/2675按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價帶的對準情況，江崎把異質(zhì)結(jié)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：*ⅡA類超晶格：材料1的導(dǎo)帶和價帶都比材料2的低，禁帶是錯開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點，躍遷幾率小，如GaAs/AlAs超晶格。2021/7/2676Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：2021/7

ⅡB類超晶格：禁帶錯開更大,窄帶材料的導(dǎo)帶底和價帶頂都位于寬帶材料的價帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb超晶格。2021/7/2677

ⅡB類超晶格：禁帶錯開更大,窄帶材料的導(dǎo)帶底和價

Ⅲ類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質(zhì)量為負，將形成界面態(tài)。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。2021/7/2678

Ⅲ類超晶格：其中一種材料具有零帶隙。組成超晶格后2021/7/26792021/7/2614（2）摻雜調(diào)制超晶格在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。優(yōu)點:(1)任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。(3)摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。2021/7/2680（2）摻雜調(diào)制超晶格優(yōu)點:2021/7/2615（2）摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢在晶體中形成周期性變化的勢，例如n-i-n-i結(jié)構(gòu)超晶格。2021/7/2681（2）摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢在晶體中形成（3）應(yīng)變超晶格

初期研究超晶格材料時，除了A1xGa1-xAs／GaAs體系以外，對其他物質(zhì)形成的超晶格的研究工作不多。原因：晶格常數(shù)相差很大，會引起薄膜之間產(chǎn)生失配位錯而得不到良好質(zhì)量的超晶格材料。解決方法：當多層薄膜的厚度十分薄時，在晶體生長時反而不容易產(chǎn)生位錯。即，在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生。因此，巧妙地利用這種性質(zhì)，可制備出晶格常數(shù)相差較大的兩種材料所形成的應(yīng)變超晶格。

SiGe／Si是典型應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般Si器件更高速工作的電子器件。2021/7/2682（3）應(yīng)變超晶格2021/7/2617（4）多維超晶格一維超晶格與體單晶比較具有許多不同的性質(zhì)，這些特點來源于它把電子和空穴限制在二維平面內(nèi)而產(chǎn)生量子力學(xué)效應(yīng)。進一步發(fā)展這種思想，把載流子再限制在低維空間中，可能會出現(xiàn)更多的新的光電特性。用MBE法生長多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)，通過光刻技術(shù)和化學(xué)腐蝕制成量子線、量子點。2021/7/2683（4）多維超晶格2021/7/26183.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffect)3.2共振隧穿效應(yīng)3.3超晶格中的微帶3.4聲子限制效應(yīng)3.5二維電子氣§3超晶格量子阱中的新現(xiàn)象2021/7/26843.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinement3.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffect)

量子阱寬度小于電子運動的Bloch波長，電子在垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)面的方向（z方向）的運動約束到一系列分裂的能級。設(shè)勢能有效質(zhì)量方程分析（前提：勢能在空間緩變，即要求阱寬遠大于晶體的晶格常數(shù)）（3-2）（3-1）2021/7/26853.1量子限制效應(yīng)(quantumconfinementx，y平面中的運動是有效質(zhì)量為m*的自由電子運動，而z方向上的運動是在一維量子阱中的運動，通常具有量子化的束縛能。2021/7/2686x，y平面中的運動是有效質(zhì)量為m*的自由電子運動，而z方向3.2共振隧穿效應(yīng)當外加電壓使量子阱中能級與外電極費米能級或鄰近阱中的電子態(tài)一致時,電子可穿過勢壘到鄰近阱中所對應(yīng)的能級,隧穿幾率幾乎為1。而與相近鄰阱中的能級不一致時隧穿幾率為零。一維雙勢壘超晶格結(jié)構(gòu)的隧穿特性2021/7/26873.2共振隧穿效應(yīng)當外加電壓使量子阱中能級與外電極費米能級實驗測量的是隧穿電流與電極上外加電壓的關(guān)系。當外加電壓變化到量子阱中的束縛態(tài)能級與發(fā)射極電子的費米能級對齊時，電流達到極大，dI/dV=0。實驗測得的（dI/dV)-V曲線上發(fā)現(xiàn)有兩個極值dI/dV=0，說明量子阱中有兩個束縛能級。張立綱等首先在GaAs/AlxGa1-xAs雙勢壘結(jié)構(gòu)中觀察到共振隧穿現(xiàn)象。2021/7/2688實驗測量的是隧穿電流與電極上外加電壓的關(guān)系。當外加電壓變化到超晶格中的微帶形成3.3超晶格中的微帶(miniband)和態(tài)密度布洛赫振蕩萬尼爾-斯塔克效應(yīng)

超晶格勢壘區(qū)較薄時，阱中量子化的孤立能級相互耦合而成微帶結(jié)構(gòu)。微帶有載流子公有化運動。超晶格布里淵區(qū)小，帶寬小，呈現(xiàn)一系列新現(xiàn)象:2021/7/2689超晶格中的微帶形成3.3超晶格中的微帶(miniband)類似于電子態(tài)，聲子態(tài)也有量子約束效應(yīng)。

聲學(xué)聲子，兩種材料的聲子譜相似，超晶格的聲學(xué)聲子是兩種體材料聲子譜的“折疊”。光學(xué)聲子，兩種材料的譜不同，光學(xué)振動模約束在各自材料中，聲子譜分裂成系列離散的聲子頻率，無色散關(guān)系。3.4聲子限制效應(yīng)2021/7/2690類似于電子態(tài)，聲子態(tài)也有量子約束效應(yīng)。聲學(xué)聲子，兩種材

目前,二維電子氣主要以下面三個方式實現(xiàn)：（1）MOSFET（2）超晶格（3）液He表面MOSFET示意圖3.5二維電子氣2021/7/2691目前,二維電子氣主要以下面三個方式實現(xiàn)：MOSFEMOSFET的電子能級結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體反型層三角形勢阱在極低溫度下,界面勢阱使電子失去了沿z方向運動的自由度，被凍結(jié)在最低的量子化子能級E0上，電子波函數(shù)被局域在界面勢阱的范圍之內(nèi)。在這種情況下，電子只能沿界面作自由運動，故可視作二維電子氣。2021/7/2692MOSFET的電子能級結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體反型層在極低溫度下,界面勢GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的電子能級結(jié)構(gòu)——

最接近理想的二維電子系統(tǒng)2021/7/2693GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的電子能級結(jié)構(gòu)——最接

由于GaAs/AlGaAs是晶體匹配的材料體系。利用現(xiàn)代分子束外延生長技術(shù)幾乎可以獲得原子級平整的界面，大大減少了界面缺陷和界面粗糙度對輸運性質(zhì)的影響。超高真空下分子束外延生長保證了GaAs、AlGaAs本征材料的純度可達到1013cm-3的水平。更為重要的是，施主雜質(zhì)在離界面一定距離以外的AlGaAs一側(cè)，而電子被轉(zhuǎn)移到窄能隙的GaAs側(cè)界面勢阱內(nèi)，遠離產(chǎn)生它的電離施主，使它們感受到的庫侖散射作用大大減弱，極大地提高了二維電子氣在低溫下的遷移率。為什么說GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)是最接近理想的二維電子系統(tǒng)？2021/7/2694由于GaAs/AlGaAs是晶體匹配的材料體系。

這意味著GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)已將雜質(zhì)、缺陷等對二維電子系統(tǒng)的“干擾”降低到最低限度，這才使電子間的多體相互作用顯得更為重要起來。因此，從某種意義上說，性質(zhì)優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為整數(shù)量子Hall效應(yīng)和分數(shù)量子Hall效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)提供了必要條件。迄今為止,GaAs/AlGaAs調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)能獲得的電子遷移率已高達1×107cm2/V·s。2021/7/2695這意味著GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)已將雜質(zhì)、缺陷等2021/7/26962021/7/2631§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)4.1吸收光譜實驗4.2激子光譜4.3激子的飽和吸收4.4室溫熒光特性超晶格光學(xué)性質(zhì)的研究除了傳統(tǒng)上的意義之外，超晶格的光吸收譜，熒光發(fā)射譜、激發(fā)譜、光反射譜、拉曼光譜等是研究超晶格電子結(jié)構(gòu)的主要手段，特別是光譜研究所揭示的超晶格量子阱新穎的光學(xué)性質(zhì)，為新器件原理提供了有效的實驗依據(jù)。2021/7/2697§4超晶格量子阱的光學(xué)性質(zhì)4.1吸收光譜實驗超晶格光學(xué)性4.1吸收光譜實驗

阱寬l=400nm，量子效應(yīng)消失，對應(yīng)于GaAs的本征吸收光譜；阱寬l=21nm和14nm，量子效應(yīng)顯示出來，這些峰為電子從價帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)所對應(yīng)的吸收。Dingle等研究了上述量子阱中電子從價帶束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶束縛態(tài)時對應(yīng)的光吸收實驗。2021/7/26984.1吸收光譜實驗

阱寬l=400nm，量子效應(yīng)消

重、輕空穴激子GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱寬下激子吸收光譜。l表示GaAs阱寬，T=2K。隨阱寬的減少呈現(xiàn)臺階形的吸收譜，阱寬為400nm時階消失。2021/7/2699

重、輕空穴激子GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不4.2激子光譜

和體材料相比，量子阱的激子光譜有明顯不同的特征：（1）在低溫下量子阱的光譜中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位。（2）按照簡單的理論分析，輕重空穴各自形成獨立的子帶。（3）激子的束縛能和玻爾半徑將受阱寬Lz、電子和空穴勢阱的深度（?Ec和?Ev）的影響。（4）室溫下在量子阱吸收光譜中也能看到很強的激子吸收峰。2021/7/261004.2激子光譜和體材料相比，量子阱的激子光譜有明顯4.3激子的飽和吸收當光強比較小的時候，一般物體的光吸收系數(shù)和光強無關(guān)，稱之為線性光學(xué)吸收。當光強較大的時候，吸收系數(shù)可能隨著光強的增加而減小，出現(xiàn)了光吸收的飽和現(xiàn)象，稱之為非線性吸收。GaAs/AlGaAs多量子阱中的激子飽和吸收2021/7/261014.3激子的飽和吸收當光強比較小的時候，一般物體的光吸收系4.4室溫熒光特性由于量子限域作用：電子-空穴的復(fù)合發(fā)光效率顯著提高電子-空穴易形成激子發(fā)光藍移應(yīng)用：利用MQW結(jié)構(gòu)，可制備波長可調(diào)（尤其是藍光或紫外波長）和高效發(fā)光的LED和LD2021/7/261024.4室溫熒光特性由于量子限域作用：2021/7/2637GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室溫下的PL光譜GaN多量子阱藍色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖e-lhe-hh2021/7/26103GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室溫下的PL光§5超晶格和量子阱器件5.1量子阱激光器5.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件5.3量子阱超晶格光電接收器2021/7/26104§5超晶格和量子阱器件5.1量子阱激光器2021/7/25.1量子阱激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)相比，具有閾值電流密度低、量子效應(yīng)好、溫度特性好、輸出功率大、動態(tài)特性好、壽命長、激射波長可以更短等等優(yōu)點。目前，量子阱已成為人們公認的半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動力。5.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程5.1.2直腔面發(fā)射LD5.1.3新型的量子阱激光器5.1.4主要應(yīng)用與研究進展2021/7/261055.1量子阱激光器具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異5.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程1976年，人們用GaInAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器。對于激光腔結(jié)構(gòu)，Kogelnik和Shank提出了分布反饋結(jié)構(gòu)，它能以單片形式形成諧振腔。Nakamura用實驗證明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反饋激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的動態(tài)單模激光概念，并用整體激光器驗證了這種想法。1977年，人們提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個器件。目前，垂直腔面發(fā)射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。自從Nakamura實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。1994年，一種具有全新機理的波長可變、可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器研制成功，且最近，在此又基礎(chǔ)上提出了微帶超晶格紅外激光器。2021/7/261065.1.1量子阱激光器發(fā)展歷程1976年，人們用GaIn5.1.2直腔面發(fā)射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）：量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。根據(jù)光輸出方向與結(jié)平面的關(guān)系，LD可分為：（1）邊發(fā)射LD（EdgeEmittingLD）：光平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。普通LD都屬于這一類型。（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）:光垂直于結(jié)平面的方向輸出。VECSEL由東京工業(yè)大學(xué)Iga教授提出，但只有在量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。2021/7/261075.1.2直腔面發(fā)射LD（VECSEL-vertical（1）邊發(fā)射LD光反饋由材料解理面形成的反射鏡提供，光在有源層長度方向得到放大，平行與異質(zhì)結(jié)界面輸出。端面發(fā)射的常規(guī)半導(dǎo)體激光器2021/7/26108（1）邊發(fā)射LD光反饋由材料解理面形成的反射鏡提供，光在有源（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL）2021/7/26109（2）垂直腔面發(fā)射LD（VECSEL）2021/7/2644

由于VECSEL的特殊結(jié)構(gòu)，使得它與邊發(fā)射激光器相比有很多優(yōu)點：

諧振腔是通過單片生長多層介質(zhì)膜形成從而避免了邊發(fā)射激光器解理腔由于解理本身的機械損傷、表面氧化和玷污等引起激光器性能退化。因為諧振腔是由多層介質(zhì)膜組成，可望有高的光損傷閾值；可以做成二維面陣，能夠大規(guī)模集成，適宜于信息處理；因為VECSEL的腔長很短，所以縱膜間距很大，以實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作；可以實現(xiàn)極底閾值電流工作。2021/7/26110由于VECSEL的特殊結(jié)構(gòu)，使得它與邊發(fā)射激光器相比5.1.3新型的量子阱激光器（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器：量子阱結(jié)構(gòu)中，電子只受到一維的限制，在結(jié)平面內(nèi)仍維持二維的自由運動。如果對電子進行二維或三維的限制，就得到一維量子線和零維量子點結(jié)構(gòu)。（2）量子級聯(lián)激光器（QuantumCascadeLaser）：由數(shù)組量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起構(gòu)成的新型量子阱激光器。

（3）微帶超晶格紅外激光器：摻雜的超晶格有源區(qū)和摻雜的載流子注入?yún)^(qū)交替構(gòu)成級聯(lián)，在超晶格的第一激發(fā)態(tài)之能帶和基態(tài)子能帶之間產(chǎn)生受激輻射，即光躍遷發(fā)生在強烈耦合的超晶格的微能帶之間。2021/7/261115.1.3新型的量子阱激光器（1）低維超晶格——量子線、（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器ρ（E）EEEρ（E）ρ（E）這種更窄的態(tài)密度分布帶來更高的微分增益，將使得半導(dǎo)體激光器的特性進一步提高，如閾值電流降低，光譜線寬、調(diào)制速率、溫度特性等可以進一步改善。態(tài)密度分布（量子阱、量子線、量子點）2021/7/26112（1）低維超晶格——量子線、量子點激光器ρ（E）EEEρ（E（2）量子級聯(lián)激光器從電子躍遷的方式上可分為斜躍遷和垂直躍遷兩種。斜躍遷量子阱級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)示意圖及P-I特性垂直躍遷量子阱級聯(lián)激光器部分導(dǎo)帶圖2021/7/26113（2）量子級聯(lián)激光器從電子躍遷的方式上可分為斜躍遷和垂直躍遷5.1.4主要應(yīng)用與研究進展（1）VECSEL（2）可見光半導(dǎo)體激光器：紅光半導(dǎo)體激光器和藍綠光激光器

（3）光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器2021/7/261145.1.4主要應(yīng)用與研究進展（1）VECSEL2021（1）VECSELVECSEL能夠大面積集成為線性或二位列陣（左圖），因此可以用于并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，被認為是fibertohome裝置的合適光源?？梢姽釼ECSEL激光器可用于光信號存貯系統(tǒng),以提高存貯密度。HudgingsJA(美國,加利弗尼亞大學(xué))演示了一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的VECSEL的新型集成光盤讀出頭。（右圖）另外VECSEL在未來的光互連領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?021/7/26115（1）VECSELVECSEL能夠大面積集成為線性或二位列（2）可見光半導(dǎo)體激光器紅光半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在光信息存儲、條形碼識別、激光打印、醫(yī)學(xué)方面，而藍綠激光在海洋探測中發(fā)揮作用。藍光激光器