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量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
无研01 王增美（025310）

摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN蓝绿光激光器的发展和应用。
引言
　半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。
20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm[4]。
量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。
减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。
量子阱和应变量子阱半导体激光器的基本原理
1、半导体超晶格
半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，薄层的厚度与半导体中电子的德布罗意波长（约为10nm）或电子平均自由程（约为50nm）有相同量级。这种思想是在1968年Bell实验室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２：
Eg
z
Ev1 Ev2 Ec2 Ec1
图2

图1

2、 量子阱及量子阱材料的能带结构
由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向（z方向）的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载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）内有两个自由度，故常称此量子系统为二维电子气。
量子阱中电子的运动服从薛定谔方程。
在xy平面内，电子不受附加周期势的作用，与体材料中电子的运动规律相同，相应的能量，其中、分别为电子在x和y方向上的波矢，是电子xy平面上的有效质量。在z方向上，电子受到阱壁的限制，能量是量子化的，只能取一些分立的值，既（nz＝１,2,3,…）。
所以，电子的总能量Ｅ为：，即由于的作用，相当于把能级展宽为能带，称为子能带。 即材料能带沿方向分裂为许多子能带（图3（a））。而且态密度呈现阶梯状分布，同一子能带内态密度为常数，（图３（b））。

LH
Electron

E
HH
nz=3

nz=2
nz=1
nz=1
nz=2

nz=3
Eg-q
Eg-b
H1
L1

H2
k//
E
H3
(a)
(b)

图３　(a)量子阱导带和价带中子能带沿方向的分布：导带子能带仍是抛物线型分布，价带中子能带却与抛物线型相差很多，这是由于价带中轻重空穴带混合（mixing）所致（b）体材料与量子阱有源材料态密度对比图：量子阱中能带分裂为子能带（n＝1,2,…），Eg-b与Eg-q为分裂前后禁带宽度，且Eg-b带底处开始填充那样，量子阱的阶梯状能带允许注入的载流子依子能带逐级填充。因此注入载流子能量量子化，提高了注入有源层内载流子的利用率，明显增加了微分增益dg/dN。高微分增益带来一系列好处：降低了激光器的阈值电流；减少了载流子内部损耗，提高了效率；提高了激光器的调制带宽，减少了频率啁啾。
(3)由于Eg-q>Eg-b,量子阱激光器的输出波长通常要小于同质的体材料激光器。
(4)在导带中子能带沿的分布仍是抛物线型，而在价带中却远非如此，这是由于重空穴带和轻空穴带混合（mixing）并相互作用所致，这使得价带的能态密度分布并不象右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度增大，加剧了价带和导带能态密度的不对称，提高了阈值电流，降低了微分增益，从而使激光器的性能，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。
3、单量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）激光器中对光子的限制
在量子阱激光器中，由于有源层厚度很小，若不采取措施，会有很大一部分光渗出。
对SQW采取的办法是采用如图4所示的分别限制（separated confinement heterojunction）结构，在阱层两侧配备低折射率的光限制层（即波导层）。该层的折射率分布可以是突变的（如图4（b）左图所示）也可以是渐变的（如右图），分别对应波导层带隙的突变和渐变）。

Eg
厚
度
图4（a）
GRINSCH--SQW
Step-index SCH--SQW
折射率
图4（b）

图4 （a）单量子阱激光器的禁带宽度分布（b）分别限制单量子阱激光器（SCH-SQW）的折射率分布，左边是阶梯型（step index），右边是渐变型（grated index）（对应带隙渐变）

而对MQW采取如图5所示的在最外层势垒之后再生长低折射率的波导层以限制光子
折射率
厚
度
Eg
阱
垒
波
导
图5 多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布分布

4、应变量子阱材料激光器
前面提到的量子阱材料的使用大大改善了半导体激光器的性能，与含厚有源层的双异质结一样，要求组成异质结的材料之间在晶体结构和晶格常数是匹配的，否则将会造成悬挂键，对器件性能造成不利的影响。但是只要将超薄层的厚度控制在某一临界尺寸以内，存在于薄层内的应变能可通过弹性形变来释放而不产生失配位错，相反，薄层之间的晶格常数失配所造成的应力能使能带结构发生有利变化，而且，应变的引入降低了晶格匹配的要求，可以在较大的范围内调整化合物材料各成分的比例。
（1）压应变与张应变
如图6所示，设结平面为xy平面，晶体生长方向为z方向，阱层晶格常数为ao，垒层晶格常数为as，当在垒层上生长出很薄的阱层材料时，在xy平面内，阱层材料的晶格常数变为a//=as，为保持晶胞体积不变，在z方向上，阱层材料晶格常数变为。
若a//=asao>,则阱层内产生张应变（tensile strain）
总的应变可分解为纯的轴向分量和静态分量。

ao
as

a//

//
图6 晶格失配引起的应变

（2） 应变导致的材料能带变化
a、先不考虑阱中的量子效应，而只考虑纯粹的应变的影响（图7）。
Energy
Eg

cb
lh
so
hh

(a)unstrained (b)under biaxial compression (c)under biaxial tension

图7（a）无应变时能带分布（b）压应变下能带变化（c）张应变下能带变化

（a）静态分量将使价带整体上移h1（meV），而使价带整体下移h2（meV）（对于张应力h1<0,h2<0）。即压应变的静态分量将使阱材料的禁带变宽，而张应变的将使其变窄。这会改变激光器的输出波长。
（b）更重要的是，应变的轴向分量将会使价带产生更大的变化：价带在整体移动的基础上，重空穴带和轻空穴带分离，分别上移和下移s/2（meV）（对张应力，s<0），对1%的晶格失配s约为60—80meV。
（c）在沿方向上轻重空穴的有效质量发生变化（对应图中曲线的曲率半径的变化），重空穴的变轻而重孔穴变重。在压应变情况下，价带中能量最高的能带沿方向上的有效质量比沿方向上的轻，所以我们可在价带中最高的能带上获得轻的空穴，这可以提高导带和价带的对称性，提高激光器的性能。
b、应变对量子阱中能带的影响
（a）压应变的影响
上面提到，在量子阱中导带和价带分裂为子能带，在方向上，导带中子能带仍是抛物线型，而由于混合效应，价带中子能带远非抛物线型，加剧了导带和价带能态密度的不对称性，降低了激光器的性能。而压应变可以使价带中的轻重空穴带分离。所以在量子阱中引入压应变可以使轻重空穴进一步分离，减轻混合效应，减小价带的能态密度，增加导价带能态密度的对称性，提高微分增益，降低阈值电流，提高激光器的性能。如图8，轻空穴带被“推入”阱底，在图中不可见。
Energy
k//
HH1
HH2
HH32
图8 压应变对量子阱中价带的影响

（b）对于张应变，由于它将会提升轻空穴带，而使重空穴带降低，且减小其有效质量，所以可以增加TE模与TM模的对称性，输出与偏振模式无关的激光或TM偏振模激光。1993年7月日本的H.Tanaka等人用GaAs/AlGaAs张应变量子阱得到了输出波长为780nm（红外）的TM模CW振荡激光器[7]。并通过控制注入电极载流子浓度，用GaAs/AlGaAs多量子阱TM模振荡激光器实现偏振模调制[8]。由于张应变与量子效应分离轻重空穴带的效果相反，所以最终的能带分布要取决于应变与量子效应的“竞争”结果。
量子阱激光器的应用
量子阱材料特别是应变量子阱的引入给半导体激光器的发展注入了新的活力，各波段低阈值大功率的 CW半导体激光器相继研制成功，从而推动了相关应用领域的进一步发展。
1、量子阱结构使垂直腔表面发射激光器（VCSEL）成为可能
所谓表面发射是相对于一般端面发射激光器而言，光从垂直于结平面的表面发射。而所谓垂直腔是指激光腔方向（光子振荡方向）垂直于半导体芯片的衬底，即光子振荡方向与光出射方向一致。有源层厚度即为腔长，由于有源层很薄，要在如此短的腔内实现低阈值振荡，除了要求有高增益的有源介质外，还要求有高的腔面反射率，这只有到80年代用MBE和MOCVD等技术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年先后实现了VCSEL的室温脉冲和连续工作，随着技术的不断改善，其性能迅速提高。VCSEL体积小，阈值低，功耗低，便于制成大规模二维列阵激光器，方便与光纤高效耦合，而且可以输出窄线宽，发散角小的单纵模激光。可用于泵浦固体激光器，光信息并行处理等，它的特点也决定了其在光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）中的重要地位。
2、 变量子阱激光器进一步推动了光纤通信的发展
半导体激光器由于具有体积小，价格低，可以直接调制等优点，已成为光纤通信系统重要组成部分，大容量光纤通信的发展对半导体激光器提出了更高的要求，而量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器具有好的动态特性，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激光源。
此外，980nm低阈值大功率AlGaAs/InGaAs[5]，InAs/GaAs,InGaAlP/InGaAs，InGaAs/GaAs应变量子阱激光器相继研制成功，可以为EDFA提供泵浦，在这个波段上，铒离子表现为理想的三能级系统，可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。
半导体光放大器（SLA）无论是在光通信还是在光信息处理技术中都是非常重要的器件，其发展曾经一度受到EDFA的挑战，但应变量子阱材料的出现使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，使其重新具有了竞争力。SLA最重要的应用是波长转换器（如Fig.1和Fig.2）[9]，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。

3、红光半导体激光器逐渐取代传统的气体激光器
1991年报道了第一个发射波长为634nm（红）的InGaP/InGaAlP应变量子阱激光器[6]，输出功率超过600mW，阈值电流密度为1.7kA/cm2。半导体红光激光器的光束质量不断提高，并以其体积小，价格便宜等优点向传统的He-Ne激光器提出挑战，并在光信息存储，条形码扫描，激光打印和复印及医学等方面的应用上逐步取代了He-Ne激光器的部分市场。
4、蓝绿光激光器
尽管蓝绿光LED早已广泛应用，但相应的半导体激光器却经历了一个相当困难的阶段才开始逼近市场，其中研究较多的是蓝绿光的材料体系和包括掺杂在内的与之相容的材料生长工艺。近几年，蓝绿光半导体激光器取得了几个阶段性的进展。
蓝绿激光的发射需宽带隙（3eV左右）材料，目前研究较多并取得较大进展的材料为III族氮化物（GaN,AlN,InN）。下面的图[10]是日本日亚（Nichia）化学工业公司的Nakamura等人在1997年制作的可连续工作10000小时的InGaN多量子阱蓝光激光器：
由三层35A厚的Si：In0.15Ga0.85N阱层和70A厚的In0.02Ga0.98N垒层组成多量子阱。激射波长为405.83nm，20℃时阈值电流为80mA。

最近两年研制成功的Fabry-perot nitride LD，仍然使用上面的多量子阱材料（两个阱），但在p-GaN波导层和最外面的垒层之间插入20nm厚的p-Al0.2Ga0.8N阻挡层，并加厚n型包层（从600m到1200nm）以减弱光腔中光向衬底的渗漏。其输出功率可达420mW，阈值电流密度为1.7kA/cm2。其各层的成分和结构如下表所示[11]：
蓝光激光器的发展提高了信息存储的容量，并推动海洋探测技术的发展。对海水来说，蓝绿激光是一个透明窗口，在军事上，可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置和潜艇通信、潜艇导航及鱼雷跟踪，在环境科学方面，可以用于海洋污染监测，海底行貌成像等。
结束语
量子阱特别是应变量子阱材料极大的提高了半导体激光器的性能，拓宽了半导体激光器的应用范围，本文在阐述了量子阱激光器的基本原理之后对其应用作了简单的介绍，相信今后随着新技术新材料的不断发展，量子阱激光器及正在研究的量子线和量子点激光器将会推动相关应用领域的进一步发展，在社会和科技的进步中起到更加重要的作用。
参考文献：
1、《半导体物理学》 （第四版）/刘恩科等 国防工业出版社 1997
2、《半导体激光器及其应用》/黄德修 刘雪峰编著 国防工业出版社1999.5
3、 Quantum Well Lasers /(Edited by )Peter S. Zory,Jr,1993
4、 An Overview of Optical Device Research in China/Zhou BingKun IEEE communications magazine /July 1993
5、 High-Power 980nm AlGaAs/InGaAs Strained Quantum Well Lasers Growned by OMVPE/Y.K.Chen etc./IEEE photonics technology letters Vol.3, No.5. May 1991
6、 High Performance 634nm Strained InGaP/InGaAlP Quantum Well Lasers/C.J.Chang Hasnain etc./ELECTRONICS LETTERS 15th August 1991,Vol.27,No.17
7、 780nm band TM-mode laser operation of GaAsP/AlGaAs tensile-strained quantum well lasers/H.Tanaka /ELECTRONICS LETTERS 2nd September 1993 Vol.29,No.18
8、 polarization modulation of GaAsP/AlGaAs tensilely strained quantum well laser diodes/H.Tanaka/ Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting, 1994. LEOS '94 Conference Proceedings. IEEE , Volume: 1 , 1994
9、 Semiconductor Laser Amplifier and Applications/Huang Dexiu /Solid-State and Integrated Circuit Technology, 1998. Proceedings. 1998 5th International Conference on , 1998
10、 InGaN-Based Blue Laser Diodes /Shuji Nakamura/ IEEE journal of selected topics in quantum electronics Vol.3, No.3, June 1997
11、physics of high-power InGaN/GaN lasers /J.piprek and S.Nakamura /IEE. proc. -Optoelectron.Vol.149.No.4 August 2002