量子阱和超晶格

《量子阱和超晶格》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子阱和超晶格（56页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、量 子 阱 和 超 晶 格2015年 11月 28日 半 导 体 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 现 象 4 超 晶 格 量 子 阱 的 光 学 性 质 6 超 晶 格 和 量 子 阱 器 件参 考 书 :“半 导 体 超 晶 格 物 理 学 ” 夏 建 白 等 ， 上 海 科 学 出 版 社 ， 1994“半 导 体 超 晶 格 -材 料 与 物 理 ” 黄 和 鸾 等 , 辽 宁 大 学 出 版 社 ，1991“半 导 体 异 质 结 物 理 ” 虞 丽 生 ， 科 学 出 版 社 ， 20

2、06 1 引 言 1970年 IBM公 司 江 崎 (Esaki), 朱 兆 祥 (Tsu) ： “ Superlattice and Negative Deferential Conductivity in Semiconductors” ， 周 期 性 地 外 延 生 长 半 导 体 超 晶 格 ： 微 带 结 构 ， 布 里 渊 区 大大 缩 小 ， 负 微 分 电 导 。 1971年 第 一 个 GaAs/AlxGa1-xAs人 工 周 期 结 材 料 :“ L. Esaki, L.L.Chang. R.Tsu, 12th Low Temp. Phys. Kyoto, Japan P.

3、551” 1972年 观 察 到 负 微 分 电 导 ， 输 运 的 振 荡 现 象 ， 微 带 结 构 。 随 后 ， 新 颖 的 物 理 现 象 被 揭 示 ， 新 理 论 被 提 出 ， 与 之 相 应 的高 性 能 的 新 型 器 件 被 研 究 和 开 发 。 v 直 条 影 区 指 具 有 相近 晶 格 常 数 但 不 同能 隙 宽 度 的 材 料v 在 区 内 材 料 原 则 上都 可 组 成 异 质 结 超晶 格v 图 中 的 连 线 是 指 这些 材 料 都 可 形 成 特定 的 合 金 低 温 下 具 有 金 刚 石 、 闪 锌 矿 结 构 半 导 体与 晶 格 常 数 的

4、 关 系 (4.2K) 超 晶 格 : Esaki和 Tsu（ 江 崎 和 朱 兆 祥 ） 在 1969年 提 出 了 超 晶格 概 念 ， 设 想 将 两 种 不 同 组 分 或 不 同 掺 杂 的 半 导 体 超 薄 层 A和B交 替 叠 合 生 长 在 衬 底 上 ， 使 在 外 延 生 长 方 向 形 成 附 加 的 晶 格周 期 性 。 当 取 垂 直 衬 底 表 面 方 向 (垂 直 方 向 )为 Z轴 ， 超 晶 格 中 的 电 子沿 z方 向 运 动 将 受 到 超 晶 格 附 加 的 周 期 势 场 的 影 响 ， 而 其 xy平 面 内 的 运 动 不 受 影 响 。 导

5、带 中 电 子 的 能 量 可 表 示 为 :E = E (kz) + 2/2m (kx2+ky2)在 xy平 面 内 电 子 的 动 能 是 连 续的 ， z方 向 附 加 周 期 势 场 使 电 子的 能 量 分 裂 为 一 系 列 子 能 带 。不 连 续 点 的 kz值 满 足 :kz = n/D， D为 超 晶 格 周 期 。 AB 2 超 晶 格 和 量 子 阱 的 一 般 描 述 超 晶 格 多 量 子 阱 能 带 结 构 示 意 图多 量 子 阱 能 带 图 E2E1超 晶 格 能 带 图EcAE vA EcBEvBEgBEgA EcEvE2E1多 量 子 阱 和 超 晶 格

6、的 本 质 差 别 在 于 势 垒 的 宽 度 ： 当 势 垒很 宽 时 电 子 不 能 从 一 个 量 子 阱 隧 穿 到 相 邻 的 量 子 阱 ， 即量 子 阱 之 间 没 有 相 互 耦 合 ， 此 为 多 量 子 阱 的 情 况 ； 当 势垒 足 够 薄 使 得 电 子 能 从 一 个 量 子 阱 隧 穿 到 相 邻 的 量 子 阱 ，即 量 子 阱 相 互 耦 合 ， 此 为 超 晶 格 的 情 况 。 超 晶 格 分 类（ 1） 组 分 调 制 超 晶 格（ 2） 掺 杂 调 制 超 晶 格（ 3） 应 变 超 晶 格（ 4） 多 维 超 晶 格（ 5） 非 晶 态 半 导 体

7、的 超 晶 格（ 6） 半 磁 超 晶 格（ 7） 渐 变 能 隙 超 晶 格 (锯 齿 状 )超 晶 格 能 带 结 构 来 源 于 两 种 材 料 禁 带 的 变 化 ， 存 在 内 界 面 。 （ 1） 组 分 调 制 超 晶 格 在 超 晶 格 结 构 中 ， 如 果 超 晶 格 的 重 复 单 元 是 由 不 同 半 导体 材 料 的 薄 膜 堆 垛 而 成 ， 则 称 为 组 分 超 晶 格 。 在 组 分 超 晶 格中 ， 由 于 构 成 超 晶 格 的 材 料 具 有 不 同 的 禁 带 宽 度 ， 在 异 质 界面 处 将 发 生 能 带 的 不 连 续 。 按 异 质 结

8、中 两 种 材 料 导 带 和 价 带 的 对 准 情 况 ， 江 崎 把 异 质结 分 为 三 类 ： 型 异 质 结 : 窄 带 材 料 的 禁 带 完 全 落 在 宽 带 材 料 的 禁 带 中 ， Ec和 Ev的 符 号 相 反 。 不 论 对 电 子 还 是 空 穴 ， 窄 带 材 料 都 是势 阱 ， 宽 带 材 料 都 是 势 垒 ， 即 电 子 和 空 穴 被 约 束 在 同 一 材 料 中 。载 流 子 复 合 发 生 在 窄 带 材 料 一 侧 。GaAlAs/GaAs和 InGaAsP/InP都 属 于 这 一 种 。 型 异 质 结 （ Ec和 Ev的 符 号 相 同

9、） ， 分 两 种 ：* A类 超 晶 格 ： 材 料 1的 导 带 和 价 带 都 比 材 料 2的 低 ， 禁 带 是错 开 的 。 材 料 1是 电 子 的 势 阱 ， 材 料 2是 空 穴 的 势 阱 。 电 子 和空 穴 分 别 约 束 在 两 材 料 中 。 超 晶 格 具 有 间 接 带 隙 的 特 点 ， 跃迁 几 率 小 ， 如 GaAs/AlAs超 晶 格 。 B类 超 晶 格 ： 禁 带 错 开 更 大 ， 窄 带 材 料 的 导 带 底 和 价 带 顶都 位 于 宽 带 材 料 的 价 带 中 ， 有 金 属 化 现 象 ， 如 InAs/GaSb 超 晶 格 。 类

10、超 晶 格 ： 其 中 一 种 材 料 具 有 零 带 隙 。 组 成 超 晶 格 后 ， 由于 它 的 电 子 有 效 质 量 为 负 ， 将 形 成 界 面 态 。典 型 的 例 子 是 HgTe/CdTe超 晶 格 。 （ 2） 掺 杂 调 制 超 晶 格 在 同 一 种 半 导 体 中 ， 用 交 替 地 改 变 掺 杂 类 型 的 方 法 做 成 的新 型 人 造 周 期 性 半 导 体 结 构 的 材 料 。优 点 :(1)任 何 一 种 半 导 体 材 料 只 要 很 好控 制 掺 杂 类 型 都 可 以 做 成 超 晶 格 。(2)多 层 结 构 的 完 整 性 非 常 好 ，

11、 由于 掺 杂 量 一 般 较 小 ， 所 以 杂 质 引起 的 晶 格 畸 变 也 较 小 。 因 此 ， 掺杂 超 晶 格 中 没 有 像 组 分 超 晶 格 那样 明 显 的 异 质 界 面 。(3) 掺 杂 超 晶 格 的 有 效 能 隙 可 以具 有 从 零 到 未 调 制 的 基 体 材 料 能量 隙 之 间 的 任 何 值 ， 取 决 于 对 各分 层 厚 度 和 掺 杂 浓 度 的 选 择 。 （ 2） 掺 杂 调 制 超 晶 格利 用 电 离 杂 质 中 心 产 生 的 静 电 势 在 晶 体 中 形 成 周 期 性 变 化 的 势 ， 例 如 n-i-n-i结 构 超 晶

12、格 。 （ 3） 应 变 超 晶 格 初 期 研 究 超 晶 格 材 料 时 ， 除 了 A1xGa1-xAs GaAs体 系 以外 ， 对 其 他 物 质 形 成 的 超 晶 格 的 研 究 工 作 不 多 。原 因 ： 晶 格 常 数 相 差 很 大 ， 会 引 起 薄 膜 之 间 产 生 失 配 位 错而 得 不 到 良 好 质 量 的 超 晶 格 材 料 。解 决 方 法 ： 当 多 层 薄 膜 的 厚 度 十 分 薄 时 ， 在 晶 体 生 长 时 反而 不 容 易 产 生 位 错 。 即 ， 在 弹 性 形 变 限 度 之 内 的 超 薄 膜 中 ，晶 格 本 身 发 生 应 变

13、而 阻 止 缺 陷 的 产 生 。 因 此 ， 巧 妙 地 利 用这 种 性 质 ， 可 制 备 出 晶 格 常 数 相 差 较 大 的 两 种 材 料 所 形 成的 应 变 超 晶 格 。 SiGe Si是 典 型 应 变 超 晶 格 材 料 ， 随 着 能 带 结 构 的 变化 ， 载 流 子 的 有 效 质 量 可 能 变 小 ， 可 提 高 载 流 子 的 迁 移 率 ，可 做 出 比 一 般 Si器 件 更 高 速 工 作 的 电 子 器 件 。 （ 4） 多 维 超 晶 格 一 维 超 晶 格 与 体 单 晶 比 较 具 有 许 多 不 同 的 性 质 ， 这 些 特 点来 源 于

14、 它 把 电 子 和 空 穴 限 制 在 二 维 平 面 内 而 产 生 量 子 力 学 效 应 。进 一 步 发 展 这 种 思 想 ， 把 载 流 子 再 限 制 在 低 维 空 间 中 ， 可 能 会出 现 更 多 的 新 的 光 电 特 性 。 用 MBE法 生 长 多 量 子 阱 结 构 或 单 量子 阱 结 构 ， 通 过 光 刻 技 术 和 化 学 腐 蚀 制 成 量 子 线 、 量 子 点 。 3.1 量 子 限 制 效 应 (quantum confinement effect)3.2 共 振 隧 穿 效 应3.3 超 晶 格 中 的 微 带3.4 声 子 限 制 效 应3.

15、5 二 维 电 子 气 3 超 晶 格 量 子 阱 中 的 新 现 象 3.1 量 子 限 制 效 应 (quantum confinement effect) 量 子 阱 宽 度 小 于 电 子 运 动 的 Bloch波 长 ， 电 子 在 垂 直 异 质 结 结 面的 方 向 （ z方 向 ） 的 运 动 约 束 到 一 系 列 分 裂 的 能 级 。 设 势 能 ),(),()(2)(2 22222 zyx Ezyx zVmm zyx Wzorz WzxV 0 0 0)(有 效 质 量 方 程 分 析 （ 前 提 ： 势能 在 空 间 缓 变 ， 即 要 求 阱 宽 远大 于 晶 体 的

16、 晶 格 常 数 ） （ 3-2）（ 3-1） x， y平 面 中 的 运 动 是 有 效 质 量为 m* 的 自 由 电 子 运 动 ， 而 z方向 上 的 运 动 是 在 一 维 量 子 阱 中的 运 动 ， 通 常 具 有 量 子 化 的 束缚 能 。 3.2 共 振 隧 穿 效 应当 外 加 电 压 使 量 子 阱 中能 级 与 外 电 极 费 米 能 级或 邻 近 阱 中 的 电 子 态 一致 时 ,电 子 可 穿 过 势 垒到 邻 近 阱 中 所 对 应 的 能级 ,隧 穿 几 率 几 乎 为 1。而 与 相 近 邻 阱 中 的 能 级不 一 致 时 隧 穿 几 率 为 零 。 一

17、 维 双 势 垒 超 晶 格 结 构 的 隧 穿 特 性 实 验 测 量 的 是 隧 穿 电 流 与 电 极 上 外 加 电 压 的 关 系 。 当 外 加 电 压变 化 到 量 子 阱 中 的 束 缚 态 能 级 与 发 射 极 电 子 的 费 米 能 级 对 齐 时 ，电 流 达 到 极 大 ， dI/dV=0。 实 验 测 得 的 （ dI/dV)-V曲 线 上 发 现有 两 个 极 值 dI/dV=0， 说 明 量 子 阱 中 有 两 个 束 缚 能 级 。张 立 纲 等 首 先 在GaAs/AlxGa1-xAs双 势 垒结 构 中 观 察 到 共 振 隧穿 现 象 。 超 晶 格 中

18、 的 微 带 形 成3.3 超 晶 格 中 的 微 带 (miniband)和 态 密 度布 洛 赫 振 荡万 尼 尔 -斯 塔 克 效 应 超 晶 格 势 垒 区 较 薄 时 ， 阱 中 量 子 化 的 孤 立 能 级 相 互 耦 合而 成 微 带 结 构 。 微 带 有 载 流 子 公 有 化 运 动 。 超 晶 格 布 里 渊 区小 ， 带 宽 小 ， 呈 现 一 系 列 新 现 象 : 类 似 于 电 子 态 ， 声 子 态 也 有 量 子 约 束 效 应 。 声 学 声 子 ， 两 种 材 料 的声 子 谱 相 似 ， 超 晶 格 的声 学 声 子 是 两 种 体 材 料声 子 谱

19、的 “ 折 叠 ” 。 光 学 声 子 ， 两 种 材 料 的谱 不 同 ， 光 学 振 动 模 约束 在 各 自 材 料 中 ， 声 子谱 分 裂 成 系 列 离 散 的 声子 频 率 ， 无 色 散 关 系 。3.4 声 子 限 制 效 应 目 前 , 二 维 电 子 气 主 要 以 下 面 三 个 方 式 实 现 ：（ 1） MOSFET（ 2） 超 晶 格（ 3） 液 He表 面MOSFET 示 意 图3.5 二 维 电 子 气 MOSFET 的 电 子 能 级 结 构 半 导 体 反 型 层三 角 形 势 阱在 极 低 温 度 下 ,界 面 势 阱 使 电 子 失 去 了 沿 z方

20、向 运 动 的 自 由 度 ，被 冻 结 在 最 低 的 量 子 化 子 能 级 E 0上 ， 电 子 波 函 数 被 局 域 在 界 面势 阱 的 范 围 之 内 。 在 这 种 情 况 下 ， 电 子 只 能 沿 界 面 作 自 由 运动 ， 故 可 视 作 二 维 电 子 气 。 GaAs/AlGaAs 异 质 结 的 电 子 能 级 结 构 最 接 近 理 想 的 二 维 电 子 系 统 由 于 G aAs/ AlG aAs 是 晶 体 匹 配 的 材 料 体 系 。 利 用 现 代 分 子束 外 延 生 长 技 术 几 乎 可 以 获 得 原 子 级 平 整 的 界 面 ， 大 大

21、减 少了 界 面 缺 陷 和 界 面 粗 糙 度 对 输 运 性 质 的 影 响 。 超 高 真 空 下 分 子 束 外 延 生 长 保 证 了 G aAs、 AlG aAs本 征 材料 的 纯 度 可 达 到 1013cm-3的 水 平 。 更 为 重 要 的 是 ， 施 主 杂 质 在 离 界 面 一 定 距 离 以 外 的 AlG aAs 一 侧 ， 而 电 子 被 转 移 到 窄 能 隙 的 G aAs 侧 界 面 势 阱 内 ， 远 离 产生 它 的 电 离 施 主 ， 使 它 们 感 受 到 的 库 仑 散 射 作 用 大 大 减 弱 ，极 大 地 提 高 了 二 维 电 子 气

22、在 低 温 下 的 迁 移 率 。为 什 么 说 GaAs/AlGaAs 异 质 结 是 最 接 近 理 想 的 二 维电 子 系 统 ？ 这 意 味 着 GaAs/AlGaAs异 质 结 已 将 杂 质 、 缺 陷 等 对 二 维电 子 系 统 的 “ 干 扰 ” 降 低 到 最 低 限 度 ， 这 才 使 电 子 间 的 多体 相 互 作 用 显 得 更 为 重 要 起 来 。 因 此 ， 从 某 种 意 义 上 说 ， 性 质 优 异 的 异 质 结 结 构 为 整 数 量子 Hall效 应 和 分 数 量 子 Hall效 应 的 发 现 提 供 了 必 要 条 件 。迄 今 为 止 ,

23、 GaAs/AlGaAs调 制 掺 杂 异 质 结 能 获 得 的 电 子迁 移 率 已 高 达 1 107cm2/ Vs 。 4 超 晶 格 量 子 阱 的 光 学 性 质4.1 吸 收 光 谱 实 验4.2 激 子 光 谱4.3 激 子 的 饱 和 吸 收4.4 室 温 荧 光 特 性超 晶 格 光 学 性 质 的 研 究 除 了 传 统 上 的 意 义 之 外 ， 超 晶 格的 光 吸 收 谱 ， 荧 光 发 射 谱 、 激 发 谱 、 光 反 射 谱 、 拉 曼 光谱 等 是 研 究 超 晶 格 电 子 结 构 的 主 要 手 段 ， 特 别 是 光 谱 研究 所 揭 示 的 超 晶

24、格 量 子 阱 新 颖 的 光 学 性 质 ， 为 新 器 件 原理 提 供 了 有 效 的 实 验 依 据 。 4.1 吸 收 光 谱 实 验 阱 宽 l = 400 nm， 量 子 效 应 消 失 ， 对 应 于 GaAs的 本 征吸 收 光 谱 ； 阱 宽 l = 21 nm和 14nm， 量 子 效 应 显 示 出 来 ， 这 些 峰为 电 子 从 价 带 束 缚 态 跃 迁 到 导 带 束 缚 态 所 对 应 的 吸 收 。Dingle等 研 究 了 上 述 量 子 阱 中 电 子 从 价 带 束 缚 态 跃 迁 到 导带 束 缚 态 时 对 应 的 光 吸 收 实 验 。 重 、

25、轻 空 穴 激 子GaAs/Al0.2Ga0.8As量 子 阱 中 不 同 阱 宽 下 激 子 吸 收 光 谱 。 l表 示GaAs阱 宽 ， T=2K。 随 阱 宽 的 减 少 呈 现 台 阶 形 的 吸 收 谱 ， 阱 宽为 400nm时 阶 消 失 。 4.2 激 子 光 谱 和 体 材 料 相 比 ， 量 子 阱 的 激 子 光 谱 有 明 显 不 同 的 特 征 ：（ 1） 在 低 温 下 量 子 阱 的 光 谱 中 自 由 激 子 的 吸 收 和 荧 光 占 主 导地 位 。（ 2） 按 照 简 单 的 理 论 分 析 ， 轻 重 空 穴 各 自 形 成 独 立 的 子 带 。（

26、3） 激 子 的 束 缚 能 和 玻 尔 半 径 将 受 阱 宽 Lz、 电 子 和 空 穴 势 阱 的深 度 （ Ec和 Ev） 的 影 响 。（ 4） 室 温 下 在 量 子 阱 吸 收 光 谱 中 也 能 看 到 很 强 的 激 子 吸 收 峰 。 4.3 激 子 的 饱 和 吸 收v 当 光 强 比 较 小 的 时 候 ，一 般 物 体 的 光 吸 收 系 数和 光 强 无 关 ， 称 之 为 线性 光 学 吸 收 。v 当 光 强 较 大 的 时 候 ， 吸收 系 数 可 能 随 着 光 强 的增 加 而 减 小 ， 出 现 了 光吸 收 的 饱 和 现 象 ， 称 之为 非 线 性

27、 吸 收 。 GaAs/AlGaAs多 量 子 阱 中 的 激 子 饱 和 吸 收 4.4 室 温 荧 光 特 性 由 于 量 子 限 域 作 用 ： 电 子 -空 穴 的 复 合 发 光 效 率 显 著 提 高 电 子 -空 穴 易 形 成 激 子 发 光 蓝 移应 用 ：利 用 MQW结 构 ， 可 制 备 波 长 可 调 （ 尤 其 是 蓝 光 或 紫 外波 长 ） 和 高 效 发 光 的 LED和 LD GaAs/Ga0.67Al0.33As多 量 子阱 室 温 下 的 PL光 谱 GaN多 量 子 阱 蓝 色 发 光 二 极 管结 构 示 意 图e-lh e-hh 5 超 晶 格 和

28、 量 子 阱 器 件5.1 量 子 阱 激 光 器5.2 光 学 双 稳 态 器 件5.3 量 子 阱 超 晶 格 光 电 接 收 器 5.1 量 子 阱 激 光 器具 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

29、 。 5.1.1 量 子 阱 激 光 器 发 展 历 程 5.1.2 直 腔 面 发 射 LD5.1.3 新 型 的 量 子 阱 激 光 器 5.1.4 主 要 应 用 与 研 究 进 展 5.1.1 量 子 阱 激 光 器 发 展 历 程 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 (D

30、BR)。 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 。 1994年 ， 一 种 具

31、 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 。 5.1.2 直 腔 面 发 射 LD（ VECSEL-vertical cavity surface emitting laser） ： 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（ Edge Emitting LD） ： 光 平 行 与 异质 结 界 面 输 出 。 普 通

32、 LD都 属 于 这 一 类 型 。 （ 2） 垂 直 腔 面 发 射 LD（ VECSEL-vertical cavity surface emitting laser） :光 垂 直 于 结 平 面 的 方 向输 出 。 VECSEL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 。 （ 1） 边 发 射 LD 光 反 馈 由 材 料 解 理 面 形 成 的 反 射 镜 提 供 ， 光 在 有 源层 长 度 方 向 得 到 放 大 ， 平 行 与 异 质 结 界 面 输 出 。端 面 发 射 的 常 规 半 导 体

33、 激 光 器 （ 2） 垂 直 腔 面 发 射 LD（ VECSEL） 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

34、 信 息 处 理 ； 因 为 VECSEL的 腔 长 很 短 ， 所 以 纵 膜 间距 很 大 ， 以 实 现 动 态 单 纵 模 工 作 ； 可 以 实 现 极 底 阈 值 电 流 工 作 。 5.1.3 新 型 的 量 子 阱 激 光 器 （ 1） 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 。 （ 2） 量 子

35、级 联 激 光 器 （ Quantum Cascade Laser） ： 由 数 组 量 子 阱 结 构 串 联 在 一 起 构 成 的 新 型 量 子 阱 激 光 器 。 （ 3） 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 。 （ 1） 低 维 超 晶 格 量 子 线 、 量 子 点 激 光 器（

36、E） E E E（ E） （ E） 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 。 态 密 度 分 布 （ 量 子 阱 、 量 子 线 、 量 子 点 ） （ 2） 量 子 级 联 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 。 斜 跃 迁 量 子 阱 级 联 激 光 器 能带 结 构 示 意 图 及 P-I特 性 垂

37、直 跃 迁 量 子 阱 级 联 激光 器 部 分 导 带 图 5.1.4 主 要 应 用 与 研 究 进 展 （ 1） VECSEL （ 2） 可 见 光 半 导 体 激 光 器 ： 红 光 半 导 体 激 光 器 和 蓝 绿光 激 光 器 （ 3） 光 纤 通 讯 中 半 导 体 激 光 器 及 大 功 率 半 导 体 激 光 器 （ 1） VECSEL VECSEL能 够 大 面 积 集 成 为 线 性 或 二 位 列 阵 （ 左 图 ） ， 因 此 可 以用 于 并 行 数 据 传 输 系 统 ， 被 认 为 是 fiber to home装 置 的 合 适 光 源 。 可 见 光 VE

38、CSEL激 光 器 可 用 于 光 信 号 存 贮 系 统 ,以 提 高 存 贮 密 度 。Hudgings J A (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 。 （ 右 图 ） 另 外 VECSEL在 未 来 的 光 互 连 领 域 有 巨 大 的 发 展 潜 力 。 （ 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

39、 海 洋 探 测 中发 挥 作 用 。 蓝 光 激 光 器 材 料 有 （ 1） - 化 合 物 半 导 体 ZnSe： Sony公 司 在 1998年 实现 了 514nm， 室 温 下 连 续 工 作 400h。（ 2） 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 InGaN 多 量 子 阱 激 光 器 的 结 构 图 （ 3） 光 纤 通 讯 中 半 导 体

40、激 光 器 及 大 功 率 半 导 体 激 光 器 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

41、 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 。 5.2 光 学 双 稳 态 器 件 光 学 双 稳 态 器 件 可 能 成 为 全 光 逻 辑 和 计 算 机 中 的 关 键元 件 。 发 展 半 导 体 光 学 双 稳 态 器 件 的 目 标 是 小 型 化 、 快速 、 低 功 率 和 高 温 工 作 。 利 用 纯 GaAs体 材 料 做 的 光 学 双 稳 态 器 件 室 温 下 工 作 时要 求 光 脉 冲 高 达 10kW， 而 利 用 超 晶 格 和 量 子 阱 结 构 的 激子 饱 和 吸 收

42、 做 的 光 学 双 稳 态 器 件 要 求 的 输 入 功 率 仅 在100mW以 下 。 D. A. B. Miller等 人 提 出 了 一 种 新 型 的 混 合 的 光 学双 稳 态 开 关 器 件 ， 它 可 在 更 小 的 光 功 率 下 工 作 ， 称 为 自光 效 应 器 件 （ SEED） 。 自 光 电 效 应 器 件 结 构 自 光 电 效 应 器 件 的 外 接 线 路 图改 变 外 电 路 电 压 和 电 阻 可 以 使 开 关 的 启 动 功 率 和 开 关 时 间 在 较 大 范 围 内 变 动 。 5.3 量 子 阱 超 晶 格 光 电 接 收 器量 子 阱 或 超 晶 格 的 导 带 或 价 带 中 的 子 能 带 之 间 及 子 能 带和 连 续 态 之 间 的 跃 迁 可 以 利 用 来 做 成 量 子 阱 红 外 光 电 接收 器 （ QWIP） 。 量 子 阱 红 外 光 电 接 收 器 的 能 带 图