量子阱半导体激光器

校历第十一周计划（11.04-11.05）：量子阱半导体激光器

11.4 

• 量子阱、超晶格

1. 由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数会发生交迭）材料，交替生长形成的人工周期性结构称为“超晶格材料”。
2. 势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱。把只有一个势阱，两边是势垒的这种结构叫“单量子阱”。也可以这样认为，如果半导体双异质结中，中间夹层的窄带隙材料薄到可以和电子的平均自由能，即与德布罗意波长相比拟时，这种结构就是单量子阱。多量子阱与单量子阱如下图所示。

   

3. 半导体超晶格包括组分超晶格、调制掺杂超晶格。主要介绍后者。利用超薄层材料外延技术（MBE，或MOCVD）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，用交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入N型杂质，一层掺入P型杂质），即可得到调制掺杂超晶格。能带图如下

   

11.5

• 量子阱中电子的能量状态

1. 带隙材料厚度与波尔半径（1nm-50nm）相比拟时，产生“量子尺寸效应”，则该薄层中载流子的运动状态不能再近似用自由粒子描述，而是电子被限制在有限势阱中，在垂直于结方向的运动能量不在近似连续，而是被量子化了，只能取一系列分离的数值E1、E2、E3...En。在平行于异质结的方向的运动是自由的。称这种运动的电子系统为二维电子气。
2. 下图为结构，不同量子阱厚度在低温下的典型吸收谱。当阱厚为4000埃时只有一个吸收峰，是典型的纯GaAs体材料吸收峰。当厚度下降时，出现附加的吸收峰，且第一个峰的能量都比体吸收峰的能量高。随着厚度的减小，相应的吸收峰往高能方向移动，说明了量子化能量与阱厚的关系。

   

3. 量子阱的态密度具有台阶状分布，那量子阱中的电子和空穴按能量的分布也不同，如下图所示，量子阱内电子按能量的分布占据更窄的能量范围，因而增益谱也比较窄。

   

11.6

• 量子阱激光器工作原理

1. 量子阱激光器中，有源层内处于导带与价带的子能级上的载流子将产生复合，复合的条件是必须有载流子注入并被量子阱收集。只有当电子和空穴的平均自由程小于量子阱厚度时，注入的载流子才会有效的被收集入势阱内，并经声子散射而集聚于低量子态。这种单量子阱结构不能有效收集载流子，多量子阱结构可以利用较薄的势垒层把多个单量子阱连接起来。多量子阱激光器具有常数态密度的特点，而且有源区的量子阱总厚度由各个量子阱厚度之和决定。故可以自行选择量子阱尺寸。
2. 有源区量子阱内的跃迁有以下特点：
   1. 改变量子阱厚度，进而改变阱内的子能级，产生不同的激射波长。
   2. 台阶状电子态密度易于获得窄线宽激射
   3. 电子与声子的相互作用会使声子发射越来越强。产生 声子协助载流子跃迁 的现象。
3. 不同注入载流子浓度时，器件的增益与量子阱厚度的关系如下图。

   

11.7

• 量子阱激光器的结构与特性

1. 单量子阱激光器结构是在DH激光器的有源层做成数十nm以下的一种激光器。缺点是有源层对费平衡载流子的收集能力减弱。这些因素都会使所需的光增益变大，从而使阈值电流密度增加。
2. 解决办法一是多量子阱激光器，优点，光限制因子的数值提高，各个量子阱所担负的光学增益也可以控制在较小的水平上。光场限制因子为，对于多量子阱激光器和改良的多量子阱激光器的限制因子与总的阱材料关系如下图

   

3. 另一种改进结构如图，该结构具有波导效应（波长越短的无线电波，当遇到物体时，在其表面发生镜面反射的可能性也越大。当信号在两侧是规则楼房的街道中传播时，以反射方式行进，我们称之为“波导效应”。），能够控制光场的扩展，提高光模限制因子。

   

11.8

• 量子阱激光器的基本特性

1. 发射光波长与量子阱厚度有关，如下图，给出了不同阱宽的量子阱结构在室温下的荧光峰值波长。

   

2. 量子阱阈值电流的阈值电流仅为同尺寸普通DH激光器的1/3。

   

3. 量子阱激光器中，态密度呈阶梯状分布，电子能量分布宽度较窄，相应的发射光谱线宽变窄。这也是量子阱激光器易于实现单纵模激射等良好特性的原因。
4. 温度升高时，量子阱激光器所需附加补充的载流子比体器件的少，温度灵敏度较低，俄歇复合影响也弱很多（俄歇复合寿命随载流子浓度变化），故特征温度高。

   

5. 量子阱激光器的内部损耗小，总的电--光转换效率高，适合做成输出大功率的阵列激光器。（高量子效率和大输出功率）
6. 在相同震荡条件下，量子阱激光器对TE模的光学增益比TM模的大，且这些模的增益谱峰值波长也出现差异。