量子激光與量子激光

量子激光與量子激光

1sakaki激光器自大量研究和應(yīng)用自向量陷阱和超格晶合作用以來，人們開始開發(fā)一些新技術(shù)，并將加載流子限制在方向（儀器線）或零方向（機器點）上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。arkawa等人于1986年預(yù)測到相鄰的功率線或數(shù)量點之間沒有強的耦合，并且制造的計算機在閾值電流、編輯動力學和譜線特性方面優(yōu)于帶源檢測器。1987年預(yù)測，在數(shù)量線上，由于維度限制顯著降低了彈性散射的概率，它可以獲得高電子遷移率，并可用于高速裂紋成像。作為技術(shù)應(yīng)用的量子異質(zhì)結(jié)構(gòu)必須滿足下列4個條件:(1)橫向尺寸必須在10nm以下,這樣才有量子限制效應(yīng)產(chǎn)生;(2)尺寸分布要均勻,使得由尺寸不均勻產(chǎn)生的光譜線非均勻加寬達到最小.這個要求對量子點最為重要,也最難達到;(3)兩種材料的界面必須整齊、無缺陷,否則將產(chǎn)生大量無輻射的復(fù)合中心;(4)在結(jié)構(gòu)和化學上是穩(wěn)定的.1.1晶體結(jié)構(gòu)類超晶兩種材料的晶格常數(shù)相近,失配度不超過1%,則由這兩種材料組成的超晶格稱為匹配超晶格.最常見的匹配超晶格是GaAs/AlxGa1-xAs,當Al組分x<0.4時,晶格失配度僅為0.08%.另一種是InAs/GaSb超晶格,它的晶格失配度為0.6%.它是第II類超晶格,電子和空穴分別限制在InAs和GaSb中.第三種是多元混晶超晶格,如In1-xGaxAs/GaSb1-yAsy,Ga的組分x和As的組分y可分別調(diào)節(jié),以滿足晶格匹配條件和改變導(dǎo)帶、價帶的相對位置.自然界中兩種晶格常數(shù)相近的材料是很少的.實驗上發(fā)現(xiàn),利用分子束外延也能生長晶格不匹配的量子阱或超晶格.這時其中一種材料就產(chǎn)生應(yīng)變.如果這個材料層的厚度超過了一個臨界層厚度,則應(yīng)變產(chǎn)生的能量就會被釋放出來,產(chǎn)生位錯線.應(yīng)變將影響超晶格的電子態(tài),可被用來改善激光器的性能.1.2inas島的生長利用分子束外延(MBE)或者金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD),在一種材料上生長與襯底材料有很大晶格失配的另一種材料.在長了一層很薄的“濕潤”層后,由于很大的應(yīng)變能,接著將生長三維島(量子點).這種生長模式稱為Stranski-Krastanov模式.生成的島中可能有失配的位錯,也可能沒有.沒有位錯的島稱為相干島(coherentislands).在GaAs(001)上生長的InAs島(晶格失配7%)具有截頂?shù)慕鹱炙男螤?并且有以下特點:(1)尺寸足夠小,具有量子限制性質(zhì).它的基座直徑小于30nm,高度為5nm;(2)基座直徑的分散度為±10%,基座高度的分散度為±20%;(3)島的每一個側(cè)面具有確定的取向;(4)無位錯,也就是相干的,適合于光學應(yīng)用.單個InAs量子點的熒光譜線是非常窄的(?kT),并且具有好的溫度特性,這與理論上預(yù)言的量子點具有一系列分立能級和大的振子強度是一致的.但是對大量的(106—107)量子點集合,由于大小和組分的不均勻性,使得熒光峰具有大的非均勻線寬(?kT).因此,提高量子點尺寸的均勻性是量子點生長的關(guān)鍵.實驗上發(fā)現(xiàn),當用分子束外延生長多層InAs島時,如果GaAs隔離層的厚度不超過36分子層(ML),三維島在垂直方向上有很整齊的排列.當GaAs層的厚度超過36ML時,這種相關(guān)性就消失.這是由于在量子點的正上方,應(yīng)力弛豫最大,應(yīng)變能也最大,有利于第二層上量子點的形成.InAs量子點在同一個平面內(nèi)的分布一般是無序的.如果在GaAs襯底上產(chǎn)生一些規(guī)則的圖形,則將生成InAs島的規(guī)則點陣排列.例如將GaAs生長表面取為低指數(shù)面,實驗發(fā)現(xiàn),InAs三維島只生長在V族原子為端點的小晶面區(qū)域.1.3mocvd生長在GaAs(001)襯底上用化學的方法刻蝕出一排排沿方向的V形凹槽,在這種波紋形的襯底上再用MOCVD方法生長GaAs/AlGaAs量子阱.由于沿不同晶面生長速率不同,在凹槽底部上方的GaAs量子阱的截面變成了新月狀,中間寬,兩頭窄,于是形成了一條條與槽平行的量子線.2垂直腔面發(fā)射激光器vcsel的基本原理一個GaAs/AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的示意圖如圖1所示,上、下層分別是p-AlGaAs和n-AlGaAs層,用于注入電子和空穴,同時用來約束電子和光場.中間是GaAs有源區(qū),電子和空穴在其中復(fù)合產(chǎn)生激光.兩邊是解理面鍍膜的半透明反射鏡,組成Fabry-Perot共振腔.它的長度為L,典型的為300μm.假設(shè)反射鏡的反射率為R,如果一束強度為I0的光沿平行方向通過有源區(qū),它有光增益因子g和損失(吸收)因子α,則在經(jīng)過2個反射鏡反射以后回到原處的光強度為令I(lǐng)=I0,則得到這表明,要達到激光工作,有源區(qū)介質(zhì)的增益必須等于它的損失加兩端激光輸出的損耗.以上公式僅僅是光完全在有源區(qū)中傳播的理想情形,沒有考慮到光場在垂直方向上的分布.實際上光場除了在有源區(qū)內(nèi),還有部分衍射分布在上、下兩AlGaAs層中.由于只有在有源區(qū)中光才能放大,因此要求有源區(qū)中光的比例越大越好.為此定義光的限制因子為其中a是有源區(qū)的厚度.這就要求兩邊包復(fù)層的折射率比有源區(qū)的小,并且兩者相差越大,Γ就越大,在有源區(qū)中形成光波導(dǎo).這就是為什么異質(zhì)結(jié)激光器優(yōu)于同質(zhì)結(jié)激光器的原因之一.對一個量子阱激光器,增益與閾值電流的關(guān)系為其中b0是增益-電流系數(shù),J0是使增益等于損失,也就是介質(zhì)變成“透明”時的注入電流.結(jié)合(2)式和(4)式,考慮到光的限制因子,就得到閾值電流其中ηi是有源介質(zhì)的內(nèi)量子效率(～9%).在InP和GaAs基的商品激光器中,α≤5cm-1.由(5)式可見,閾值電流隨腔長L和光限制因子Γ的增加以及α的減小而減小.取b0=0.5cm/A,J0=450A/cm2,得到Jth約為600—700A/cm2.要降低閾值電流Jth,最關(guān)鍵的是降低J0,也就是介質(zhì)達到“透明”(g=α)所需的注入電流.圖2中虛線分別是體材料[(a)圖]和量子阱[(b)圖]的態(tài)密度,體材料的態(tài)密度與成正比,而量子阱的態(tài)密度是常數(shù),呈臺階狀.n1,n2,n3是逐漸增加的注入載流子密度.由圖2可見,隨著注入密度的增加,介質(zhì)的增益也逐漸增加,但量子阱由于它的陡直的態(tài)密度,增加得比體材料快.因此較小的注入密度(例如n2)就能達到透明所需的增益gth.要使介質(zhì)的增益g大于零,必要條件就是導(dǎo)帶中的電子數(shù)超過價帶中的電子數(shù),達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn).也就是要求其中EFc,EFv分別是導(dǎo)帶和價帶的準費米能級,E′g是有效帶隙.一般的半導(dǎo)體,如GaAs,導(dǎo)帶的有效質(zhì)量總是遠小于價帶的有效質(zhì)量.對量子阱,它的態(tài)密度其中m*是有效質(zhì)量,w是量子阱的阱寬.所以導(dǎo)帶子帶的態(tài)密度遠小于價帶子帶的態(tài)密度.當增加注入載流子密度時,導(dǎo)帶的準費米能級EFc增加得比價帶的EFv快得多,使得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效果變差.最理想的情形應(yīng)該是兩者的有效質(zhì)量相近,即m*c≈m*v,使得EFc和EFv同時達到帶邊,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).利用應(yīng)變超晶格就能達到這一目的.如果量子阱材料在平面內(nèi)受到壓縮應(yīng)變,則它的重空穴帶和輕空穴帶就會分離,重空穴帶上升,輕空穴帶下降,使得兩者之間的耦合減小,成為獨立的帶.量子阱中重空穴子帶HH1在限制方向(z)的有效質(zhì)量大,而在平面(x-y)內(nèi)的有效質(zhì)量小,接近于電子的有效質(zhì)量.由(7)式可知,這時重空穴子帶的態(tài)密度也變小了.實驗證明,采用壓縮應(yīng)變超晶格制造的激光器性能得到顯著提高.除了改進激光器的有源介質(zhì)以外,在激光器的結(jié)構(gòu)上也有許多改進,以提高它的性能.例如,代替介質(zhì)上下兩邊一種包復(fù)材料(見圖1),采用兩種AlxGa1-xAs材料(x=0.5和x=1),對電子和光場分別限制的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH),或者折射率漸變的(x由0至0.5,以及由0.5至1)分別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(GRINSCH),以分別改進對電子和光場的限制.以上討論的都是平面激光器結(jié)構(gòu),光沿著有源區(qū)的平面轉(zhuǎn)播和發(fā)射.在有些情形下,如系統(tǒng)的光互連,要求有高度平行的光輸出,因此需要有垂直于有源區(qū)平面發(fā)射的激光器.圖3是一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的示意圖.它由上下部的分布布拉格反射器(DBR)以及中間的腔和有源區(qū)組成.DBR由折射率大和小的兩種材料交替排列組成,例如GaAs(n=3.5)和AlAs(n=2.9),每一層的厚度等于1/4波長.對于由16個周期組成的DBR,它在中心波長980nm附近有100nm寬的全反射帶.如果腔為1個波長厚,則腔模的間距約為100nm,因此DBR除了對980nm的基模反射外,對高階模將不反射.因此VCSEL將是一個單縱向模的激光器,它在一個寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生一個非常穩(wěn)定的波長輸出.當增益譜隨溫度位移時,它將不在模之間跳動.與平面激光器相比,VCSEL具有下列優(yōu)點:(1)在解理之前就能測試激光器的性能;(2)VCSEL的直徑可以做得很小,便于制成高密度的二維陣列;(3)VCSEL的截面可以做成圓的,便于光纖耦合和自由空間通信.VCSEL的缺點是大的串聯(lián)電阻,容易導(dǎo)致發(fā)熱.3光子高晶激子的吸收系數(shù)和治療前后的吸收特性在光的作用下,當電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶時,在價帶中留下一個帶正電的空穴.導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴由于庫侖相互作用形成一個束縛態(tài)——激子,形成激子所需的能量稱為激子的結(jié)合能.在體材料中,激子類似于氫原子中的質(zhì)子和電子,激子的結(jié)合能其中R=13.6eV是里德伯常數(shù),ε0是半導(dǎo)體的介電常數(shù),μ是電子和空穴的折合質(zhì)量,式中m*e,m*n分別是電子和空穴的有效質(zhì)量.代入GaAs的值,得到Eex=5meV左右.激子的軌道半徑為有效玻爾半徑,其中aB是玻爾半徑.在體材料中,由于激子的結(jié)合能很小,它很容易被晶格振動或無規(guī)靜電場所離解,所以實驗上不容易被觀察到.量子阱中的電子和空穴可以近似地看作在量子阱的平面內(nèi)運動.如果我們忽略量子阱的寬度,則可看作是一個二維激子.可以證明,二維激子的結(jié)合能是三維激子的4倍,實際量子阱中激子的結(jié)合能要稍小一些,但仍比三維激子的要大得多,它與量子阱的寬度、勢壘高度有關(guān).由于量子阱中激子結(jié)合能較大,就容易觀察到激子的吸收峰.它通常有重空穴激子和輕空穴激子2個峰,峰的能量比吸收邊的能量小.實驗發(fā)現(xiàn)當激發(fā)光的功率逐漸增加時,激子峰逐漸變平,最后消失.這種現(xiàn)象稱為激子吸收飽和,這時的光激發(fā)功率約為800Wcm-2.這是由于大功率光激發(fā)時量子阱中的激子密度越來越大.假定量子阱中每一個激子占據(jù)的面積為πa,則如果激子密度nex超過了(πa)-1時,激子之間就會有相互作用,使激子離解,產(chǎn)生吸收飽和.一個10nm寬的量子阱在重空穴激子峰的吸收系數(shù)為106m-1,因此它吸收10%的光.在達到飽和時,代入GaAs的值,?ω=1.5eV,激子壽命τex=10-8s,aex=10nm,得到P=765Wcm-2,與實驗結(jié)果800Wcm-2相符.由吸收系數(shù)的變化Δα(?ω),并利用Kramers-Kronig關(guān)系就可算出折射率的變化,利用折射率的變化可以制造光開關(guān)、調(diào)制器.另一種比較容易實現(xiàn)折射率變化的方法是外加垂直電場.在外加垂直電場下,量子阱的底部(導(dǎo)帶和價帶邊)發(fā)生傾斜,但是由于電子和空穴都限制在量子阱中,各子帶對應(yīng)的電子和空穴波函數(shù)的變化不大,因此仍能觀察到很強的激子吸收峰.但是由于在電場下能級的位置會下降,因此吸收峰會發(fā)生一定的位移.這種效應(yīng)稱為量子限制Stark效應(yīng).由于量子阱激子吸收峰能量隨電場有較大的變化,因此在電場下吸收峰能量附近的吸收系數(shù)和折射率將會有較大的變化,產(chǎn)生光學非線性.圖4是9.5nm寬的量子阱在垂直電場6.4×104Vcm-1下吸收系數(shù)和折射率的改變Δn.由圖4可見,在吸收峰附近,折射率的相對變化可達到4%.利用這種光學非線性,可設(shè)計光調(diào)制器,例如一個p-i-n結(jié)構(gòu)量子阱的波導(dǎo)方向耦合開關(guān),其中間是不摻雜的InGaAs/InP量子阱(i區(qū)),上下兩邊分別是n型和p型的InP,結(jié)的上面是定向耦合器開關(guān).當p-n電極上不加電場時,光可以通過兩個相鄰波導(dǎo)之間的能量耦合從一個波導(dǎo)的輸入端輸入,而從另一個波導(dǎo)的輸出端輸出.如果加一個電場,則在它下面量子阱的折射率發(fā)生變化,破壞了兩個臂之間的相匹配條件,使得光從輸入波導(dǎo)的輸出端輸出.因此通過在電極上加一電場,就能完成光的開關(guān)作用.4狀態(tài)狀態(tài)GaAs/AlGaAs量子阱在電場下的激子吸收效應(yīng)又導(dǎo)致了另一類非線性光學器件——自電光效應(yīng)器件(SEED)的出現(xiàn),其基本結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.量子阱是在一個p-i-n二極管的i區(qū),二極管串聯(lián)在一個反向偏壓的回路中,回路中還串聯(lián)一個1MΩ的電阻.由于光電流響應(yīng)率隨外加偏壓的變化是非線性的,對應(yīng)于某一入射光功率Pin,可能有兩種不同的狀態(tài).取輸入光的能量為電場為零時重空穴激子吸收峰對應(yīng)的能量E0(見圖4中的實線),第一種狀態(tài)是量子阱中的電場小,吸收大,因此光電流大,在回路中,串聯(lián)電阻RL上的壓降大,二極管上的電壓VJ=V0-ILRL就小,這種狀態(tài)稱為Ⅰ狀態(tài).第二種狀態(tài)是量子阱中的電場大,激子吸收曲線如圖4中的虛線所示,對能量為E0的輸入光,吸收系數(shù)變小,因此光電流小,在RL上的壓降小,這種狀態(tài)稱為Ⅱ狀態(tài).以上說的是在一定的光輸入功率Pin下兩種可能的穩(wěn)定態(tài).輸出功率Pout隨Pin變化的動態(tài)特性如圖5(b)所示,當Pin由0逐漸增加時,SEED最初處于Ⅱ狀態(tài),Pout大.一直到Pin增加到PinⅠ,Pout突然下降,SEED轉(zhuǎn)變?yōu)棰駹顟B(tài).當Pin繼續(xù)增大時,Pout增加,SEED保持在Ⅰ狀態(tài).如果Pin減小,則Pout單調(diào)地減小,而不沿原路回去.一直到Pin減小到PinⅡ,Pout突然增加,SEED回復(fù)到Ⅱ狀態(tài).從圖5(b)可以看到類似于磁滯回線那樣的曲線,這就是光學雙穩(wěn)現(xiàn)象.利用這種特性,可制造光開關(guān)器件.開關(guān)時間由串聯(lián)電阻RL和電容C的時間常數(shù)決定.對一個100μm直徑的器件,開關(guān)時間為20ns,開關(guān)的能量密度為50pJcm-2.將SEED用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)做成陣列,并將開關(guān)功率設(shè)計成與現(xiàn)有的二極管激光器光源相匹配,已經(jīng)制成了光子計算機的原型.目前雖然開關(guān)速度限制在MHz范圍,但它的有效計算功率已經(jīng)比傳統(tǒng)的電子計算機降低了幾個數(shù)量級.它的主要問題是與傳統(tǒng)的大規(guī)模集成電路工藝不相容,例如,要對一個陣列中大量(>106)的單個SEED器件作電連接是一個技術(shù)上的難題.5量子點器件的生長理論上預(yù)言,由于量子點在三維方向上受到限制,因此量子點器件將比量子阱器件有更大的優(yōu)越性.但是目前由于制備工藝的限制,量子點尺寸的均勻性仍是量子點器件應(yīng)用的一個瓶頸.下面主要介紹用S-K方法自組織生長的量子點器件方面所取得的一些進展.5.1紅外光不能正入射的原因.紅外光全面提取.量子阱中導(dǎo)帶子能級之間的能量間距為100meV左右,相當于中紅外波段12.4μm范圍.紅外線的大氣窗口為3—5μm和8—12μm,因此利用量子阱導(dǎo)帶子帶之間的躍遷,可設(shè)計制造紅外探測器.量子阱紅外探測器和傳統(tǒng)的HgCdTe探測器相比,具有大面積均勻和與現(xiàn)有的GaAs光電子工藝兼容等優(yōu)點.它的缺點是紅外光不能正入射,也就是不能從量子阱平面的垂直方向入射,這給探測器制作帶來一定困難.導(dǎo)帶和子帶之間的躍遷振子強度為其中ψi,ψj是子能級的包絡(luò)函數(shù),是光的偏振方向單位矢量.由上式可見,只有偏振沿z方向(量子阱平面的垂直方向)的紅外光才能引起子能級之間的躍遷.而正入射光的偏振方向只可能在x-y平面內(nèi),因此通常的量子阱紅外探測器都要在量子阱的側(cè)面磨一斜角,以使光能從斜方向入射.而量子點紅外探測器就不受這一限制,因為在量子點中電子在所有方向上都受到限制,因此解除了(13)式給出的選擇定則的限制.實驗上已經(jīng)觀察到量子點對正入射紅外光的有效吸收.結(jié)構(gòu)是由3層InAs量子點和一個InGaAs單量子阱組成,量子阱是用作導(dǎo)電電子的通道,以增加光電流.這種結(jié)構(gòu)稱為側(cè)向光電流結(jié)構(gòu).觀察到的光效應(yīng)是大的,光電流峰對應(yīng)的波長是6.5μm,在T=30K時,光電流峰值達到2.5A/W.它隨著溫度增加而減小,這表明電子的壽命或遷移率減小.5.2光子點光存儲在半導(dǎo)體中利用電荷分離來達到信息存儲的目的,這一思想早就有了,其中最典型的器件是光電二極管和CCD探測器,它們都是利用電場使得電子和空穴分離.但是利用這種方法入射光子的信息(如相位、能量、數(shù)目等)在存儲過程中都不可逆地喪失了,無法讀出.目前除了對量子計算機特別重要的相位還無法存儲以外,其他一些信息已經(jīng)能夠通過量子點來存儲和讀出了.因為量子點具有分立的量子能級,它能保證在吸收-存儲-發(fā)射-讀出循環(huán)過程中能量和光子數(shù)守恒.第一個利用量子點完成光讀出實驗的是Lundstrom等.在InAs量子點中,由光子產(chǎn)生的激子在外加偏壓下分解成電子和空穴對,分別存儲在InAs量子點和相鄰的GaAs量子阱中應(yīng)力感應(yīng)的勢能極小處.讀出過程是加一個反向偏壓,將空穴從GaAs量子阱中趕回到InAs量子點中,與電子復(fù)合,產(chǎn)生一個光子,由光子探測器記錄.實驗發(fā)現(xiàn),電荷存儲時間高達10s,比激子的壽命5ns長得多.圖6是一個用電信號讀出的量子點光存儲器件的結(jié)構(gòu)能帶圖,左邊是GaAs/In0.1Ga0.9As調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)(產(chǎn)生二維電子氣),右邊是InAs量子點,其余部分是由GaAs/AlAs超晶格和Al0.3Ga0.7As組成的勢壘層.圖6(a)是寫的過程,在零偏置電壓下,近紅外光在InAs量子點中產(chǎn)生了電子-空穴對,空穴通過隧穿離開了量子點.圖6(b)是存儲過程,由于量子點中只留下了電子,引起了二維電子氣層中的電子耗盡,使得電阻改變,通過電信號完成記錄過程.圖6(c)是擦去過程,加一個恢復(fù)脈沖電壓Vpn,使得空穴漂移回量子點,與電子復(fù)合發(fā)射一個光子.因此將存儲的電子“擦去”,系統(tǒng)恢復(fù)原狀.實驗發(fā)現(xiàn),在T=145K下,電子存儲時間可高達100s.5.3量子點光探測器的工作原理單量子點光電二極管是一個GaAs的p-i-Schottky結(jié)二極管,在i-GaAs區(qū)中有一層InGaAs量子點.在作為Schottky結(jié)的一面上有一個開窗口的掩模,窗口孔徑為150至500nm.只有窗口下面的量子點用來測量光電流(PC)和熒光譜(PL).測量的PC峰和PL峰能量與外加電場之間的關(guān)系如圖7所示.在低電場下,量子點中光激發(fā)的電子和空穴復(fù)合,產(chǎn)生熒光.在高電場下,電子和空穴分別隧穿出量子點,產(chǎn)生光電流.其工作原理示于圖7的插圖中.由圖可見,PL峰和PC峰的能量曲線能銜接起來,并且隨著電場增加而減小.這是由量子限制Stark效應(yīng)引起的.與一般的光電探測器相比,量子點光探測器提供了電場調(diào)節(jié)的可測量不同波長光的功能.同時量子點光探測器的吸收面積是非常小的,具有最高的空間分辨率.量子點光探測器更有意義的應(yīng)用在于它可以制作單電子源或單光子源.量子點光探測器的工作原理是這樣的:當光在單量子點中激發(fā)出一對電子和空穴以后(見圖7的插圖),它們在量子點中,不論是復(fù)合還是隧穿,都有一定的壽命(大約幾十至幾百ps的范圍).在這段時間內(nèi),由于量子點中已經(jīng)有電子和空穴,它們之間的庫侖相互作用使得光不可能再激發(fā)出第二對電子和空穴.如果用一個鎖模激光器產(chǎn)生的ps脈沖在量子點中產(chǎn)生電子空穴對,并且脈沖的重復(fù)時間大于它們的壽命,則在高電場下,在電路中將產(chǎn)生單電子流,光電流I=f×e,f是重復(fù)頻率.同樣在低電場下將產(chǎn)生單光子流.5.4閾值電流與溫度的關(guān)系由于量子點尺寸的不均勻性,至今量