量子阱半導體激光器的的基本原理及其應用

量子阱半導體激光器的的基本原理及其應用無研01王增美（025310）摘要：本文主要闡述了量子阱及應變量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu)，以及能態(tài)密度和載流子有效質(zhì)量的變化對激光器閾值電流等參數(shù)的影響，簡要說明了量子阱激光器中對光場的波導限制。最后對量子阱半導體激光器的應用作了簡要的介紹，其中重點是GaN藍綠光激光器的發(fā)展和應用。引言半導體激光器自從1962年誕生以來，就以其優(yōu)越的性能得到了極為廣泛的應用，隨著新材料新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)和制造工藝水平的不斷提高，其各方面的性能也不斷得到改善，應用范圍也不在再局限于信息傳輸和信息存儲，而是逐漸滲透到材料加工、精密測量、軍事、醫(yī)學和生物等領域，正在迅速占領過去由氣體和固體激光器所占據(jù)的市場。20世紀70年代的雙異質(zhì)結(jié)激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出現(xiàn)的應變量子阱激光器是半導體激光器發(fā)展過程中的三個里程碑。制作量子阱結(jié)構(gòu)需要用超薄層的薄膜生長技術，如分子外延術（MBE）、金屬有機化合物化學氣相淀積（MOCVD）、化學束外延（CBE）和原子束外延等。我國早在1974年就開始設計和制造分子束外延（MBE）設備，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半導體所（ISCAS）使用國產(chǎn)的MBE設備制成的GRIN-SCHInGaAs/GaAs應變多量子阱激光器室溫下閾值電流為1.55mA，連續(xù)輸出功率大于30mW，輸出波長為1026nm[4。量子阱特別是應變量子阱材料的引入減少了載流子的一個自由度，改變了K空間的能帶結(jié)構(gòu)，極大的提高了半導體激光器的性能，使垂直腔表面發(fā)射激光器成為現(xiàn)實，使近幾年取得突破的GaN藍綠光激光器成為新的研究熱點和新的經(jīng)濟增長點，并將使半導體激光器成為光子集成（PIC）和光電子集成（OEIC）的核心器件。減少載流子一個自由度的量子阱已經(jīng)使半導體激光器受益匪淺，再減少一個自由度的所謂量子線（QL）以及在三維都使電子受限的所謂量子點（QD）將會使半導體激光器的性能發(fā)生更大的改善，這已經(jīng)受到了許多科學家的關注，成為半導體材料的前沿課題。量子阱和應變量子阱半導體激光器的基本原理1、半導體超晶格半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，薄層的厚度與半導體中電子的德布羅意波長（約為10nm）或電子平均自由程（約為50nm）有相同量級。這種思想是在1968年Bell實驗室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半導體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)。江崎等人把超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。理想超晶格的空間結(jié)構(gòu)及兩種材料的能帶分布分別如圖1和圖2：2、量子阱及量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu)由于兩種材料的禁帶寬度不同而引起的沿薄層交替生長方向（Z方向）的附加周期勢分布中的勢阱稱為量子阱。量子阱中電子與塊狀晶體中電子具有完全不同的性質(zhì)，即表現(xiàn)出量子尺寸效應，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的載流子失去了垂直于阱壁方向（Z方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（xy面）內(nèi)有兩個自由度，故常稱此量子系統(tǒng)為二維電子氣。量子阱中電子的運動服從薛定諤方程。在xy平面內(nèi)，電子不受附加周期勢的作用，與體材料中電子的運動規(guī)律相同，相應的能量E=2（k2+k2）/（2m*），其中k、k分別為電子在x和y方向上的波矢，m*〃是電子xy 尤y // xy 〃xy平面上的有效質(zhì)量。在z方向上，電子受到阱壁的限制，能量是量子化的，只能取一些分立的值，既E=E氐n2（nz=l,2,3,...）。所以，電子的總能量E為：E=E+Exy，即由于Ey的作用，相當于把能級En展寬為能帶，稱為子能帶。即材料能帶沿k^方向分裂為許多子能帶（圖3（a））。而且態(tài)密度呈現(xiàn)階梯狀分布，同一子能帶內(nèi)態(tài)密度為常數(shù)，（圖3（b））。（a）量子阱導帶和價帶中子能帶沿k/向的分布：導帶子能帶仍是拋物線型分布，價帶中子能帶卻與拋物線型相差很多，這是由于價帶中輕重空穴帶混合（mixing）所致（b）體材料與量子阱有源材料態(tài)密度p（E）對比圖：量子阱中能帶分裂為子能帶（n=1,2,...）,Eg-b與Eg-q為分裂前后禁帶寬度，

能帶的變化導致以下結(jié)果：（1） 帶電子與重空穴和輕空穴復合分別產(chǎn)生TE模與TM模，重空穴帶與輕空穴帶在帶頂處簡并解除加劇了TE模與TM模的非對稱性。（2） 不象體材料拋物線能帶中載流子必須從接近帶底處開始填充那樣，量子阱的階梯狀能帶允許注入的載流子依子能帶逐級填充。因此注入載流子能量量子化，提高了注入有源層內(nèi)載流子的利用率，明顯增加了微分增益dg/dN。高微分增益帶來一系列好處：降低了激光器的閾值電流；減少了載流子內(nèi)部損耗，提高了效率；提高了激光器的調(diào)制帶寬，減少了頻率啁啾。⑶由于Eg-q>Eg-b,量子阱激光器的輸出波長通常要小于同質(zhì)的體材料激光器。（4）在導帶中子能帶沿k〃的分布仍是拋物線型，而在價帶中卻遠非如此，這是由于重空穴帶和輕空穴帶混合（mixing）并相互作用所致，這使得價帶的能態(tài)密度分布并不象右圖所示的那樣呈現(xiàn)階梯狀，而是使價帶的能態(tài)密度增大，加劇了價帶和導帶能態(tài)密度的不對稱，提高了閾值電流，降低了微分增益，從而使激光器的性能，這種情況要靠后面要提的應變量子阱來改善。3、單量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）激光器中對光子的限制在量子阱激光器中，由于有源層厚度很小，若不采取措施，會有很大一部分光滲出。對SQW采取的辦法是采用如圖4所示的分別限制（separatedconfinementheterojunction）結(jié)構(gòu)，在阱層兩側(cè)配備低折射率的光限制層（即波導層）。該層的折射率分布可以是突變的（如圖4（b）左圖所示）也可以是漸變的（如右圖），分別對應波導層帶隙的突變和漸變）。Step-indexSCH--SQW圖4（b）折射率Step-indexSCH--SQW圖4（b）折射率圖4（a）單量子阱激光器的禁帶寬度分布（b）分別限制單量子阱激光器（SCH-SQW）的折射率分布，左邊是階梯型（stepindex），右邊是漸而對MQW采取如圖5所示的在最外層勢壘之后再生長低折射率的波導層以限制光子E折射率E折射率圖5多量子阱禁帶寬度及折射率隨厚4、應變量子阱材料激光器前面提到的量子阱材料的使用大大改善了半導體激光器的性能，與含厚有源層的雙異質(zhì)結(jié)一樣，要求組成異質(zhì)結(jié)的材料之間在晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)是匹配的，否則將會造成懸掛鍵，對器件性能造成不利的影響。但是只要將超薄層的厚度控制在某一臨界尺寸以內(nèi)，存在于薄層內(nèi)的應變能可通過彈性形變來釋放而不產(chǎn)生失配位錯，相反，薄層之間的晶格常數(shù)失配所造成的應力能使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生有利變化，而且，應變的引入降低了晶格匹配的要求，可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)整化合物材料各成分的比例。（1）壓應變與張應變?nèi)鐖D6所示，設結(jié)平面為xy平面，晶體生長方向為z方向，阱層晶格常數(shù)為ao,壘層晶格常數(shù)為as，當在壘層上生長出很薄的阱層材料時，在xy平面內(nèi)，阱層材料的晶格常數(shù)變?yōu)閍〃=as，為保持晶胞體積不變，在z方向上，阱層材料晶格常數(shù)變?yōu)閍。若a〃=as<ao<a，則阱層內(nèi)產(chǎn)生壓應變（compressivestrain） 1若a〃=as>ao>a1,則阱層內(nèi)產(chǎn)生張應變（tensilestrain）總的應變可分解為純的軸向分量和靜態(tài)分量。圖6圖6晶格失配引起的應變（2）應變導致的材料能帶變化a、先不考慮阱中的量子效應，而只考慮純粹的應變的影響（圖7）。k/r(a)unstrainedk1k/r(a)unstrainedk1k〃 r ki(b)underbiaxialcompressionk〃 r ki(c)underbiaxialtension圖7（a）無應變時能帶分布（b）壓應變下能帶變化（c）張應變下能帶變化（a）靜態(tài)分量將使價帶整體上移hl（meV），而使價帶整體下移h2（meV）（對于張應力h1<0,h2<0）。即壓應變的靜態(tài)分量將使阱材料的禁帶變寬，而張應變的將使其變窄。這會改變激光器的輸出波長。

（b） 更重要的是，應變的軸向分量將會使價帶產(chǎn)生更大的變化：價帶在整體移動的基礎上，重空穴帶和輕空穴帶分離，分別上移和下移s/2（meV）（對張應力，s<0），對1%的晶格失配s約為60—80meV。（c） 在沿孔方向上輕重空穴的有效質(zhì)量發(fā)生變化（對應圖中曲線的曲率半徑的變化），重空穴的變輕而重孔穴變重。在壓應變情況下，價帶中能量最高的能帶沿k//方向上的有效質(zhì)量比沿k方向上的輕，所以我們可在價帶中最高的能帶上獲得輕±的空穴，這可以提高導帶和價帶的對稱性，提高激光器的性能。b、應變對量子阱中能帶的影響（a）壓應變的影響圖8壓應變對量子阱中價帶的影響上面提到，在量子阱中導帶和價帶分裂為子能帶，在與/方向上，導帶中子能帶仍是拋物線型，而由于混合效應，價帶中子能帶遠非拋物線型，加劇了導帶和價帶能態(tài)密度的不對稱性，降低了激光器的性能。而壓應變可以使價帶中的輕重空穴帶分離。所以在量子阱中引入壓應變可以使輕重空穴進一步分離，減輕混合效應，減小價帶的能態(tài)密度，增加導價帶能態(tài)密度的對稱性，提高微分增益，降低閾值電流，提高激光器的性能如圖8圖8壓應變對量子阱中價帶的影響（b）對于張應變，由于它將會提升輕空穴帶，而使重空穴帶降低，且減小其有效質(zhì)量，所以可以增加TE模與TM模的對稱性，輸出與偏振模式無關的激光或TM偏振模激光。1993年7月日本的H.Tanaka等人用GaAs/AlGaAs張應變量子阱得到了輸出波長為780nm（紅外）的TM模CW振蕩激光器［7］。并通過控制注入電極載流子濃度，用GaAs/AlGaAs多量子阱TM模振蕩激光器實現(xiàn)偏振模調(diào)制［8］。由于張應變與量子效應分離輕重空穴帶的效果相反，所以最終的能帶分布要取決于應變與量子效應的“競爭”結(jié)果。量子阱激光器的應用量子阱材料特別是應變量子阱的引入給半導體激光器的發(fā)展注入了新的活力，各波段低閾值大功率的CW半導體激光器相繼研制成功，從而推動了相關應用領域的進一步發(fā)展。1、量子阱結(jié)構(gòu)使垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）成為可能所謂表面發(fā)射是相對于一般端面發(fā)射激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射。而所謂垂直腔是指激光腔方向（光子振蕩方向）垂直于半導體芯片的襯底，即光子振蕩方向與光出射方向一致。有源層厚度即為腔長，由于有源層很薄，要在如此短的腔內(nèi)實現(xiàn)低閾值振蕩，除了要求有高增益的有源介質(zhì)外，還要求有高的腔面反射率，這只有到80年代用MBE和MOCVD等技術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年先后實現(xiàn)了VCSEL的室溫脈沖和連續(xù)工作，隨著技術的不斷改善，其性能迅速提高。VCSEL體積小，閾值低，功耗低，便于制成大規(guī)模二維列陣激光器，方便與光纖高效耦合，而且可以輸出窄線寬，發(fā)散角小的單縱模激光?？捎糜诒闷止腆w激光器，光信息并行處理等，它的特點也決定了其在光子集成（PIC）和光電子集成（OEIC）中的重

要地位。2、變量子阱激光器進一步推動了光纖通信的發(fā)展半導體激光器由于具有體積小，價格低，可以直接調(diào)制等優(yōu)點，已成為光纖通信系統(tǒng)重要組成部分，大容量光纖通信的發(fā)展對半導體激光器提出了更高的要求，而量子阱（特別是應變量子阱）半導體激光器具有好的動態(tài)特性，低的閾值電流，再引入光柵進行分布反饋（DFB），成為目前高速通信中最為理想的激光源。此外，980nm低閾值大功率AlGaAs/InGaAs［5］，InAs/GaAs,InGaAlP/InGaAs，InGaAs/GaAs應變量子阱激光器相繼研制成功，可以為EDFA提供泵浦，在這個波段上，鉺離子表現(xiàn)為理想的三能級系統(tǒng)，可以獲得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。半導體光放大器（SLA）無論是在光通信還是在光信息處理技術中都是非常重要的器件，其發(fā)展曾經(jīng)一度受到EDFA的挑戰(zhàn)，但應變量子阱材料的出現(xiàn)使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，使其重新具有了競爭力°SLA最重要的應用是波長轉(zhuǎn)換器（如Fig.1和Fig.2）［9］，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。Fi*】Fi*】AmultiwavelengthnetwcrJc

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dif^rcritnod^s..Hiig.2Wivcleagthfiller[nereismgthenetworkflexibilityandreducingW3rele(igthcongestionAlnetwork.nodc&3、 紅光半導體激光器逐漸取代傳統(tǒng)的氣體激光器1991年報道了第一個發(fā)射波長為634nm（紅）的InGaP/InGaAlP應變量子阱激光器［6］，輸出功率超過600mW，閾值電流密度為1.7kA/cm2。半導體紅光激光器的光束質(zhì)量不斷提高，并以其體積小，價格便宜等優(yōu)點向傳統(tǒng)的He-Ne激光器提出挑戰(zhàn)，并在光信息存儲，條形碼掃描，激光打印和復印及醫(yī)學等方面的應用上逐步取代了He-Ne激光器的部分市場。4、 藍綠光激光器盡管藍綠光LED早已廣泛應用，但相應的半導體激光器卻經(jīng)歷了一個相當困難的階段才開始逼近市場，其中研究較多的是藍綠光的材料體系和包括摻雜在內(nèi)的與之相容的材料生長工藝。近幾年，藍綠光半導體激光器取得了幾個階段性的進展。藍綠激光的發(fā)射需寬帶隙（3eV左右）材料，目前研究較多并取得較大進展的材料為III族氮化物（GaN,AlN,InN）。下面的圖［10］是日本日亞（Nichia）化學工業(yè)公司的Nakamura等人在1997年制作的可連續(xù)工作10000小時的InGaN多量子阱藍光激光器：由三層35A厚的Si：In0.15Ga0.85N阱層和70A厚的In0.02Ga0.98N壘層組成多量子阱。激射波長為405.83nm，20°C時閾值電流為80mA。

Mult-QmantoWeillStructure(MQW)p-Ah.MGmiyjN此也虹成新亦 l]-GaNp-eledrode^p&NpyigGaiuKsNp-GuN.p-Ak.zQuojN二IlufiaNMQWVnsNqn-Akim(JaofliNm^liiDAsGan.usN廠1u-electrodi^p-eledrode^p&NpyigGaiuKsNp-GuN.p-Ak.zQuojN二IlufiaNMQWVnsNqn-Akim(JaofliNm^liiDAsGan.usN廠1u-electrodi^。瑚1皿〔商|.球n-(：sN■ :Y=n.(i2Li"]szflLJS:IiiaGa-d-ijNEnernjGaNbufTtrhjer((MW)I)^ipphiresubstrateI.ThestrictureoftheInGaNMQWLN.最近兩年研制成功的Fabry-perotnitrideLD,仍然使用上面的多量子阱材料（兩個阱），但在p-GaN波導層和最外面的壘層之間插入20nm厚的p-Al02Ga08N阻擋層，并加厚n型包層（從600m到1200nm）以減弱光腔中光向襯底的滲漏。其輸出功率可達420mW，閾值電流密度為1.7kA/cm2。其各層的成分和結(jié)構(gòu)如下表所示［11］：Tabk1：LayarstructureandroomterTiperaturaparamet&reofnitrid-ela$4roariimeier“rmljc(cm±/!/s)希*(W/amKI2黑ID-"102.B41.3p-i1[?1+Gt7.ULpa..G*wSbcoladar(；ieco1x1儼2.43p-GaNiwdVDQiidid^iWO5k1D，bIB2.54Up-AloL^GsbJiN1顯口叩2D1AItP102.2J。月觀N?；barrier!10f、10sB5OZ.S10Zrvln也相G為陽N■:quanlumweMJ47xin63Q>3-0.02jtJNib^rricrl107“10eesb"1rHl%瞄白3注.小IquantunweIII-47x1Qw30030O.Zn-lrODffliGai.J.K!N107X1111635D2.?1lo.znGaNiwaveguicief1QQ7xID17&5D2.541.3nA1qi.G時就N/GbN$L(claddiiirtg)12W豈M131'IQ2.4^D.2n-lr^ 拍camplliM5b10Q3yin111瑚.Z.Sfi1.0fvIShNl^jhstratFfiMOO3yH}lh2.&41J3^=Ib^eflihickn^^虬no,NFmalDrlSyGmlgrrnosmqgiieKJhrtwrefraa^u 忡Ofl叩waveien^iijL&一小日偵驢ra-idiusii^iir藍光激光器的發(fā)展提高了信息存儲的容量，并推動海洋探測技術的發(fā)展。對海水來說，藍綠激光是一個透明窗口，在軍事上，可以用這個波段的激光進行探測潛艇位置和潛艇通信、潛艇導航及魚雷跟蹤，在環(huán)境科學方面，可以用于海洋污染監(jiān)測，海底行貌成像等。結(jié)束語量子阱特別是應變量子阱材料極大的提高了半導體激光器的性能，拓寬了半導體激光器的應用范圍，本文在闡述了量子阱激光器的基本原理之后對其應用作了簡單的介紹，相信今后隨著新技術新材料的不斷發(fā)展，量子阱激光器及正在研究的量子線和量子點激光器將會推動相關應用領域的進一步發(fā)展，在社會和科技的進步中起到更加重要的作用。參考文獻：1、《半導體物理學》（第四版）/劉恩科等國防工業(yè)出版社19972、 《半導體激光器及其應用》/黃德修劉雪峰編著國防工業(yè)出版社1999.53、 QuantumWellLasers/（Editedby）PeterS.Zory,Jr,19934、 AnOverviewofOpticalDeviceResearchinChina/ZhouBingKunIEEEcommunicationsmagazine/July19935、 High-Power980nmAlGaAs/InGaAsStrainedQuantumWellLasersGrownedbyOMVPE/Y.K.Chenetc./IEEEphotonicstechnologylettersVOl.3,No.5.May19916、 HighPerformance634nmStrain