量子阱半导体激光器

量子阱半导体激光器摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。二、基本理论图1理想超晶格示意图1、量子阱及其能带结构

图1理想超晶格示意图量子阱是窄带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间。如果窄带系与宽带系超薄层交替生长就能构成多量子阱(MQW)。在MQW中如果各阱之间的电子波函数发生一定程度的交叠或耦合，则这样的MQW也就是超晶格，宛如在晶体中微观粒子作周期有序排列一样。量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。由于垂直与阱壁方向的限制作用，使导带与价带的能级分裂为子带。电子的总能量可表示为方2方2kC“2mc||+Ecn式中，k“与m分分别为在平行与结平面方向的波数与有效质量，故上式右边第一项为电子抛c|| c||物线能量分布，第二项为量子化能量，它在阱底为零。相应的光跃迁波长为1.24九=E+E+Egcnvn与块状材料单纯由E决定不同。E和E分别为导带和价带的量子化能级，并有g cnvnh2n2E二一cn 8L2mzcn其中，L量子阱宽，对E亦有类似的表示式。但此时由于量子限制作用，重轻空穴带的兼zvn并解除，价带情况较复杂，。由半导体物理，可推导出量子阱中电子的态密度函数为：1m*

p(E)=—工--H(E-E)

L 兀力2 cnznH函数为Heaviside单位阶跃函数，L为阱宽，n为z方向量子数。价带空穴的态密度也有zc3Ec2n=3Ec1n=2n=1E-bulkn=1 & 1n=2n=1 —n=3Plhc3Ec2n=3Ec1n=2n=1E-bulkn=1 & 1n=2n=1 —n=3Plh(E)-QL Pc(E)-bulkI(E)-QW/对寸应体材料Ec底E-QWhh(E)-bulk:对应体材料E顶VPlh(E)-bulkPhh(E)-QWP(E)图3QW能带结构及态密度类似的表示。量子阱材料中，价带子能带（HH］、HH2、HH3、LH1）形状随k方向不同而不同，图中所示为某些方向的能带形状。由以上可以看出，1） 由于电子被势垒所限制，其波函数在垂直方向引起能级量子化，电子、空穴的态密度与能量的关系，由抛物线型改变成台阶状结构，比体材料远为集中。其阶梯状能带允许注入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高于体材料的激光器。高的微分增益带来许多好处：＞降低了激光器的阈值电流；＞使有源层中电子与光子的耦合时间常数变小，因而使激光器的张驰振荡频率与相同发射频率的块状有源材料激光器相比大大提高，这就相应的提高了激光器的调制带宽；＞有源层内部载流子损耗的减少，提高了激光器的斜率效率；＞减少了频率啁啾。2） QW材料禁带宽度大与体材料，因此激射波长变短。3） 由于量子限制效应，重轻空穴带分裂，且子带形状发生变化，加剧了TE与TM模的非对称性，影响了激光器性能。JIdx对于量子阱结构，由于有源层厚度很小，光场限制因子T二十减少，有相当大一J71dx+8部分光的能量会渗出有源层，会导致阈值升高等问题。现实中采用光子和载流子分别限制的折射率n）渐变型图4SCH—SQW结构，在有源层外加上光限制层。有分别限制单量子阱（SCH—SQW折射率n）渐变型图4SCH—SQWSCH—SQW是在阱层两侧配备底折射率的光限制层（波导层）。该层折射率有渐变和突变两种。如图4MQW有多个窄带隙和宽带隙超薄层交替生长而成，在两边最外的势垒层之后再生长底

折射率的波导层以限制光子，这等效于加厚了有源层，使激光器的远场特性有大幅度改善。2、应变量子阱组成量子阱的薄层之间一定量（在某一临界尺寸以内）的晶格常数失配所造成的失配应力能使能带结构发生有利的变化，应变量子阱正是基于这一点使能带结构发生了根本改变。图5多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布图5多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布这种思想由Yablanovitch和Kane、Adams在1986年分别提出。以通常的半导体激光器在衬底的［001］方向生长超薄层为例，在临界厚度以内，所有应变几乎都允许存在于生长层内。处在双轴应力的外延层在生长层内的晶格常数为州等于衬底的晶格常数a,设其原晶格常数|| s为％。总的应变可表示为（S|=（as-ae）/ae为层内应变）轴向分量 Sax=-2S||ax||静态分量 Svo=S||vo||saxa|=assaxa|=as<ae<ax单轴应变单轴拉应变价带顶重空穴能级上升（在上）价带顶轻空穴能级下降（在下）（丄与平面）单轴张应变价带顶重空穴能级下降（在下）价带顶轻空穴能级上升（在上）双轴应变双轴拉应变价带顶重空穴能级曲率变大价带顶轻空穴能级曲率变小单轴应变单轴拉应变价带顶重空穴能级上升（在上）价带顶轻空穴能级下降（在下）（丄与平面）单轴张应变价带顶重空穴能级下降（在下）价带顶轻空穴能级上升（在上）双轴应变双轴拉应变价带顶重空穴能级曲率变大价带顶轻空穴能级曲率变小||与平面）双轴张应变价带顶重空穴能级曲率变大价带顶轻空穴能级曲率变小图7InxGa1-xAs/InP应变量子阱的能带x1-x以InGa,As/InP应变量子阱为例，当x=0.53时，In053Ga047As/InP与InP晶格匹配很好，不x1-x 0.53 0.47

产生应变；当x〉0.53时，InGaAs有比InP大的晶格常数，弹性形变使超薄层承受压应变；当x<0.53时，超薄层内将有张应变使两种材料之间有不产生失配位错的弹性键合，在某一临界值下，其材料有好的光学性质。对InGalAs，此值约为20nm%。即若层厚为20nm，则x1-x允许应变量为1%-2%。>应变的静态分量使导带和价带发生整体相对移动，禁带宽度发生变化。压应变情况，Eg增加，张应变情况，Eg减少。因此，通过调节应变的类型与应变量的大小，可以调节激gg光器的激射波长。>应变打破了立方晶体的对称性，其轴向分量使重空穴与轻空穴带分离，且其分离的程度正比与应变量。产生压应变时，重空穴带仍在轻空穴带以上，但带顶处的曲率半径明显减少，重空穴的有效质量减少，明显的增加了与导带的对称性，使得阈值电流进一步减少；产生张应变时，轻空穴却有可能位于重空穴带之上，并使其曲率减少，增加了TE模与TM模的对称性，一方面使得阈值电流减少，另一方面也为实现与偏振无关的半导体激光放大器提供了技术保证。应变量子阱的出现从根本上改变了能带的结构，只要通过调节应变的类型与应变量的大小就有可能得到我们所需要的能带结构，使半导体器件的性能出现了大的飞跃，半导体激光器在许多领域内的应用成为现实，成为半导体光电子学发展史上的一个里程碑。例如，用来泵浦掺铒光纤放大器、激射波长为980nm的半导体激光器就是依靠应变量子阱来实现的。应变量子阱给正在发展中的Ge1Si/Si超晶格带来了活力，理论分析认为，通过布里渊区能1-带的折叠效应，就有可能实现Ge1Si/Si材料有间接带隙向直接带隙转变。如果这一目的能1-实现，以其作为半导体激光器的有源层材料，则大规模的光电子集成将成为现实，其应用价值不言而喻。三、直腔面发射LD(VECSEL—verticalcavitysurfaceemittinglaser):量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为1、边发射LD(EdgeEmittingLD)：光平行与异质结界面输出。普通LD都属于这一类型。構岀貝術^ irk.lv-C-C! Fat価出端面发射的常规半导体激光器構岀貝術^ irk.lv-C-C! Fat価出端面发射的常规半导体激光器2、垂直腔面发射LD(VECSEL—verticalcavitysurfaceemittinglaser):光垂直于结平面的方向输出oVECSEL由东京工业大学Iga教授提出，但只有在量子阱结构出现以后才成为可能。垂直腔是指激光腔的方向即光子振动方向垂直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到放大。由于有源层厚度很小，要想实现底阈值的激光振荡，除要求要有高增益系数的有源层介质之外，还需要有高的腔面反射率。所以有源层采用量子阱材料，而提高腔面反射率的方法一种是在腔面镀高反膜，难度较大；另一种是采用DBR结构(SCH)。典型结构如图示DBR设计：发光区夹在两组DBR之间，DBR由交替生长的不同x和y组分的半导体薄层组成，相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg附近的反射率达到极高的水平，每一组DBR相当于一个高反射镜。然而，DBR各薄层的带隙周期新性的交替变化而构成的一系列

势垒必然会增加VECSEL的工作电压和串联电阻，这等效于在有源介质两边生成了加热体,因此必须采取措施以降低串联电阻。一种是有源区采用量子阱结构，以减少阈值电流；将DBR各层予以高掺杂以降低串联电阻。另一种是在DBR中每一高和底折射率层之间生长占空比可变的超晶格渐变区。采用这些措施后，串联电阻已从80年代中期的数千欧姆降至40欧姆以下。图9VECSEL结构示意图2） 腔结构：激光器工作时，腔内形成稳定的驻波场，须使有源区与腔内驻波场有最大的重叠，同时适当增加腔长有利于增加基模直径，从而提高输出功率。因此有源层应与驻波场中心峰值强度对应的入/4n范围内有最大的重叠，在此范围内生长多量子阱结构有利于获得大的功率输出。另外，要有高的输出功率，须有高的功率效率，也即要有高的微分量子效率，有远大于阈值的工作电流。降低串联电阻最重要，特别是要采取措施降低P型DBR的电阻。例如，可以通过生长各层非突变的DBR间的界面来实现底的R。只要有高的功率效率，就S可以减轻对器件冷却的压力，就可通过增加内部光强和增加基模截面来提高输出功率。如，若能使内部光强达到107W/cm2，基模面积为200》m2取输出DBR透过率为1%,则输出功率可达200mW.3） 微腔VECSEL:若腔长为波长入量级，则VECSEL将出现由自发辐射所控制的新的效应。自发辐射因子的增加，将产生更多的受激发射“种子”，从而导致阈值电流下降。在阈值以上，对给定注入速率下的载流子寿命依阈值电流的降低而比率的减少，从而能使调制带宽增加。特别的，对于自发辐射因子为1的微腔激光器，即使在阈值以下，也能达到100%的量子效率，这就有可能实现无阈值、P-I曲线无扭折的理想的激光器。由于VECSEL的特殊结构，使得它与边发射激光器相比有很多优点：谐振腔是通过单片生长多层介质膜形成从而避免了边发射激光器解理腔由于解理本身的机械损伤、表面氧化和玷污等引起激光器性能退化。因为谐振腔是由多层介质膜组成，可望有高的光损伤阈值；可以做成二维面阵，能够大规模集成，适宜于信息处理；1因为纵膜间距以*l，VECSEL的腔长很短，所以纵膜间距很大，以实现动态单纵模L

工作；可以实现极底阈值电流工作。四、新型的量子阱激光器：低维超晶格——量子线、量子点激光器：量子阱结构中，电子只受到一维的限制，在结平面内仍维持二维的自由运动。如果对电子进行二维或三维的限制，就得到一维量子线和零维量子点结构。随着运动维数的减少，态密度更加集中。2m一维量子线 P(E)=工■〜(E—E—E)-1/2 锯齿状分布兀 q pq,p零维量子点 P(E)=工28(E—E—E—E) 6函数分布qpm图10态密度分布(量子阱、量子线、量子点)这种更窄的态密度分布带来更高的微分增益，将使得半导体激光器的特性进一步提高，如阈值电流降低，光谱线宽、调制速率、温度特性等可以进一步改善。量子级联激光器(QuantumCascadeLaser)：由数组量子阱结构串联在一起构成的新型量子阱激光器。光辐射是由量子限制效应引起的导带中的分离子能带之间的电子从高能态向低能态的跃迁引起的，为TM波。跃迁态的联合态密度和相应的增益谱半宽都很窄，而且对称，因此可以得到低阈值电流和单纵模工作。而且，可以通过调整有源区量子阱的厚度调节激射波长，因此，其光谱范围很宽。级联量子激光器从电子跃迁的方式上可分为斜跃迁和垂直跃迁两种。1OK40-1OK30-20*1O-有源区梯度合金图8.6-4图8.6-4斜廠迁:》子级联激光霧

能带结构示意图及P-I持性85kV/cm ■III有源区嚷齋薫'图11 图11 斜跃迁量子阱级联激光器能带结构示意图及P-I特性图12垂直跃迁量子阱级联激光器部分导带图微带超晶格红外激光器：掺杂的超晶格有源区和掺杂的载流子注入区交替构成级联，在超晶格的第一激发态之能带和基态子能带之间产生受激辐射，即光跃迁发生在强烈耦合的超晶格的微能带之间。优点是宽的微带具有高的电流运载能力和注入效率，可以获得大的功率输出五、主要应用与研究进展：量子阱半导体激光器凭借其突出的优点在许多领域得到广泛应用。1、VECSEL：VECSEL能够大面积集成为线性或二位列阵(Fig1给出了8X8的VECSEL阵列⑷)，因此可以用于并行数据传输系统，被认为是fibertohome装置的合适光源。可见光VECSEL激光器可用于光信号存贮系统，以提高存贮密度。HudgingsJA(美国,加利弗尼亚大学)演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VECSEL的新型集成光盘读出头(Fig2)[5]。Fig.1.Aflip-chip-bondedtop-emittingE33mirror(Rs0.95)chopperu> rucussiiiglens牙 collimatinglensesFig.2.Experimentalsetup.(a)Deviceschematic另外VECSEL在未来的光互连领域有巨大的发展潜力。Fig.1.Aflip-chip-bondedtop-emittingE33mirror(Rs0.95)chopperu> rucussiiiglens牙 collimatinglensesFig.2.Experimentalsetup.(a)Deviceschematic850-nmVCSEL8X8arrayViewedwithdrivingcircuitry.(b)Opticalconfiguration.throughthetransparentsapphire目前,0.85〜0.95pm波段VECSEL较为成熟，已实现了高性能、低成本和大批量生产,并已上市出售。虽然德国Philipps大学已实现了近1.3pm波长的VECSEL⑹，并具有从30〜388K的极宽的工作温度范围。但制作1.3pm或1.55pmVECSEL的困难还需进一步解决。2、可见光半导体激光器：红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB半导体光源将对图像及信息处理产生重大影响。红光半导体激光器已逐渐取代传统的气体激光器,InGaAlP材料的红光应变量子阱激光器已经实现了产品化。随着其性能的不断提高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作工艺等。目前研究较多并取得初步成效的蓝光激光器材料有11-^化合物半导体ZnSe：Sony公司在1998年实现了514nm,室温下连续工作400h111族氮化物(GaN、AlN、InN)：有可能在420-370nm波段内成为实用化激光器材料。日本日亚(Nichia)公司1997年实现了410nm连续工作10000h的GaN基蓝光LD(Fig3)[7]其实，GaN基材料的电子器件MESFET、HBT和MODFET(HEMT)等也具有重要应用，，高

p-Ah.HiGHQmNMult-Quantun]-频MISFET器件已被制成并且一种电子级的A1N/Si界面已被证实可行,这表明了三族氮化物和硅复合集成的可行性。最近两年研制成功的Fabry-perotnitrideLD。其输出功率可达420mW，阈值电流密度为1.7kA/cm2⑻。p-Ah.HiGHQmNMult-Quantun]-p-dectrodjep-GuNp-(raNp-Alo.jGacisNInGaNMQWn心芮衲就黄mi.诃i>f伸HH]伸HH]爭缈phirtFig.3.ThestructureoftheInGaNMQWLD's.目前制约GaN发展的主要因素是结构材料的面积太小、有源层缺陷太多和匹配衬底的价格太贵等问题，且有机注入绿光半导体激光器的出现对GaN材料也是一个挑战。3、光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器除具备半导体激光器的体积小，价格低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，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光源。作为EDFA的泵浦源，980nm低阈值大功率AlGaAs/InGaAs[9],InGaAlP/InGaAs,等应变量子阱激光器相继研制成功，且可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由。此外，还希望用其作为光传输系统中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶段，许多问题值得我们继续思考：如，半导体激光器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高材料的制作工艺等。总结从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及与其他半导体器件集成的能力强等特点成为

信息技术的关键器件。并随着其发展，在材料加工、精密测量、军事、生物、医学等领域显示出巨大潜力。量子阱半导体激光器也将是光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制作工艺的不断涌现，量子阱半导体激光器的性能将得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景更加光明。参考文献:[1]江剑平半导体光电子学电子工业出版社2000[2]黄德修半导体器件及其应用国防工业出版社1999PeterS.Zory,Jr.QuantumWellLasersPublishedbyAcademicPress1993J.JiangLiu,Member,IEEE,BrianRiely,PaulH.Shen,SeniorMember,IEEE,etc.Ultralow-ThresholdSapphireSubstrate-BondedTop-Emitting850-nmVCSELArray1234IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.14,NO.9,SEPTEMBER2002JaniceA.Hudgings,SuiF.Lim,GabrielS.Li,StudentMember,IEEE.etcCompact,IntegratedOpticalDiskReadoutHeadUsingaNovelBistableVertical-CavitySurface-EmittingLaser.IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.11,NO.2,FEBRUARY1999245WagnerA,EllmersC,etal.Appl,Phys.Lett.,2000,76(3):271ShujiNakamuraInGaN-BasedBlueLaserDiodes712IEEEJOURNALOFSELECTEDTOP