量子阱原理及应用.doc

杨晗 23120082203807

光子学原理课程期末论文
——量子阱原理及其应用

信息科学与技术学院
08电子信息工程
杨晗
23120082203807

题目：量子阱原理及其应用
作者：杨晗 23120082203807
摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。
关键词： 量子阱 量子约束 激光器
量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。
一量子阱最基本特征
由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成 的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代表两种材料的原子
有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状[1]。
图 2量子阱中电子和空穴的态密度与能量的关系示意图
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量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者CVD（化学气相沉积）的方法来制备。就像三明治一样的结构，中间是很薄的一层半导体膜，外侧是两个隔离层。用激光朝量子阱闪一下，可以使中间的半导体层里产生电子和带正电的空穴。通常情况下，电子会与空穴结合，放出光子。科学家将量子阱的上层制造得特别薄，厚度不足30埃，这样就可迫使中间层产生的电子与空穴结合时，以变化的电场而不是光子的形式释放能量。电场的作用使邻近的量子点中产生新的电子和空穴，从而令它们结合并放出光子.
对多量子阱，若势垒壁厚LB仍为无限大（实际上只需大于20nm）,势垒足够高（△Ec>0.5Ev）,其电子的状态有如单量子阱中的电子，相邻量子阱中的电子的波函数不会发生重叠。但若势垒壁逐渐变薄，则相邻量子阱中电子的波函数就会因隧穿效应而逐渐有所交叠，并使简并能级分裂成带[2]，如图所示：

图 3势垒高度有限的多量子阱和超晶格中电子的波函数
二 量子阱效应与超晶格效应
对具有势阱结构或者超晶格结构的人工合成材料，当其中窄禁带材料的厚度小于载流子的平均自由程时，其电子特性会发生某些变化，甚至会出现一些非此结构不会出现的特殊物理现象。这些跟势阱的形成以及尺寸有关的效应即被称为量子阱效应或超晶格效应。主要的量子阱效应和超晶格效应是量子约束效应，如前所述，对于由两层宽禁带材料和夹在其间的窄禁带材料薄层构成的量子阱当窄禁带薄层的厚度小于电子平均自由程时，电子在薄层法线方向上的运动将受到限制，只能在薄层平面内自由运动。与体材料中的电子相比，这种运动史一种二维运动，至少是准二维运动。受约束的电子运动状态的这一重大变化的突出表现是其能量的量子化，即原本在三维材料某一范围内（例如导带）连续发布的能量状态，在二维薄层内变为一系列分立能级，这就是量子约束效应。而且只有足够窄的量子阱中才会出现量子约束效应，因此，量子约束效应又称为量子尺寸效应。
三 量子阱激光器
利用量子约束效应在半导体激光器的有源深层中形成量子能级，用这些量子能级间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。人们在量子约束效应发现后不久就观察到量子阱中的光学泵浦作用，并于20世纪70年代末开发出量子阱激光器。所以，半导体激光器是量子阱和超晶格技术的最早受益者之一。异质结的采用使半导体激光器的性能获得了一次飞跃性的改善，但一般的双异质结（DH）激光器的有源层还比较厚，大都在100nm以上，不足以在其中形成量子能级。因此，最基本的量子阱激光器就是把一般DH激光器的有源层厚度减薄到足以形成量子能级的数十纳米左右，使有源层成为一个单量子阱,如图所示，但是，有源层减薄往往引起激光器性能在阈值电流方面的劣化。

图 4能带结构示意图
在半导体激光器阈值增益中计入光学限制因子，其表达式变为

式中，a为损耗系数，R为反射率，l为共振腔的长度。在这些参数中，会随着激光器有源层的减薄而明显下降，从而使激光器的阈值增益升高，阈值电流密度增大。为了克服有源层减薄带来的这种负面影响，可进一步将有源层做成多量子阱结构，如图4（b）。多量子阱结构保持了量子约束效应而等效的展宽了有源层，从而使增大了。但是，为了从量子阱中引出较高的光学增益，如果不降低有源层中多量子阱的势垒高度，就需要增大电流的注入。这样，就必然有部分载流子分布在量子阱的高次量子能级上，进而引起增益谱的展宽和阈值电流的增大。适当降低有源层中多量子阱的势垒高度，可以提高电流的注入效率，从而将注入电流控制在适当的大小[3]。

量子阱和超晶格技术的应用使半导体激光器的性能获得很大改善。
量子约束效应最实际的应用是量子阱（MQW）及用量子阱所得到的各种半导体器件，量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。同常规的激光器相比，量子阱激光器具有以下特点：
在量子阱中，态密度呈阶梯状分布，量子阱中首先是E1c和E1v之间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量hv＝E1c－E1v＞Eg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长凡小于几所对应的波长九，即出现了波长蓝移。
在量子阱激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之间。这是两个能级之间的电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近的电子和价带顶附近的空穴参与的辐射复合，因而量子阱激光器光谱的线宽明显地变窄了。
在量子阱激光器中，由于势阱宽度Lx通常小于电子和空穴的扩散长度Le和Ln，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大大提高，甚至可高达两个数量级。
量子阱使激光器的温度稳定条件大为改善，AlGaInAs量子阱激光器的特征温度马可达150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要[4]。
四 InGaAs量子阱激光器的介绍及应用
衬底出光的 InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应变量子阱组成 , InGaAs 量子阱宽为 8nm , GaAs 势垒宽为 10 nm1 三个量子阱被上、下AlG aAs限制层包围构成为一个波长的谐振腔。上下两个分布布喇格反射镜为四分之一波长的 GaAs和AlGaAs周期结构组成。 其中p 型反射镜为 38. 5周期(掺杂C ,浓度为3×1018) ,n 型反射镜为28. 5周期(掺杂 Si ,浓度为 3 ×1018cm- 3) 1N 型反射镜的对数比p型反射镜对数少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形成衬底出光型器件。在p 型分布布喇格反射镜与有源区之间加入一层高Al组分的Al0198G a0102 As层 ,厚度为 30 nm ,此层在器件的工艺过程中将被氧化为 AlxOy 绝缘层,起到电流限制作用,形成电流注入窗口。器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在 n -G aAs衬底(掺杂Si ,浓度为3×1018cm- 3)上外延生长获得。
工艺过程中 ,采用化学湿法腐蚀法 ,腐蚀出直径为350μm的圆形台, 腐蚀深度以露出AlGaAs层为宜，之后把器件置于高温(420℃)湿氮环境下对AlGaAs 层进行氧化处理 ,转化为 Al xOy 绝缘层 ,形成300μm直径的电流注入窗口，对注入器件的电流起到限制作用。之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处理，减薄到大约 150μm左右，以减少衬底对器件的串联电阻的贡献1P型分布布拉格反射镜侧做大面积的Ti-Pt-Au 金属接触。在n型G aAs衬底上蒸发制作Si/ SiO2增透膜膜系，以提高输出光功率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底侧的n型金属接触层。最后由快速热退火炉进行合金退火处理。整个器件结构由In焊料( In焊料为软焊料 ,可以减少封装过程中引入到外延片的应力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装。并对器件特性进行测试[5]
五 量子阱材料的其他应用
量子阱LED
在LED中引入量子阱或超晶格，可以明显提高发光效率，或使之具有常规LED没有的特性，例如发光波长的可调制性。
在LED的发光区做成量子阱结构，改变偏压即会观察到发光特性的变化。若量子阱材料的导带底和价带顶能级分别为Ec和Ev，具有这种改良结构的LED在偏压较低时将发出能量为Hv=Ec-Ev的光；如果加大偏压，发光波长就会因为量子阱能带倾斜程度的增大而变短。同时，量子阱的导带底电子和价带顶空穴也会因电场作用而改变位置，被赶到相反方向的势垒壁附近，从而使发光强度增高。
利用这种现象可以做出发光波长连续可调的高速点调制LED器件或超短光脉冲发生器。用GaAs/GaAs多量子阱结构做成的电场调制波长LED的时间常数可达到130ps一下。
结论：
通过本文可以了解到量子阱的构造，量子阱激光器的特点，两者结合的产物——量子阱半导体激光器的原理尤其是InGaAs量子阱半导体激光器的构造与设计。典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。由于量子阱垂直腔面激光器的输出光不再在沿着腔面方向，从而更有利于对输出光的接收。但也存在一些缺点，如输出光为椭圆偏振光，因此不适合在保偏系统中应用。
量子阱具有特殊的结构，具有二维自由度，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。正是因为这种结构，量子阱材料才具有量子约束效应，利用这种效应在半导体激光器的有源深层中形成量子能级，用这些量子能级间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，由此形成的量子阱激光器的温度稳定条件大为改善这在光纤通信等应用中至关重要，对量子阱的研究必将为半导体光电学带来许多更新、更好的特性，也为光电子集成开拓更美好的前景。

参考文献：
1. 毛陆虹,郭维廉,陈弘达,吴荣汉.量子阱半导体激光器调制特性和噪声的电路模拟[J].通 信学报,2001,22(1):38~42
2. 王绍民，赵道木，吕章德，周国泉，黄富泉，徐锦心.量子阱半导体激光器的光束质量[J].光子学报，2001,30(4):483~486　
3. 徐锦心, 赵道木, 周国泉, 王绍民， 半导体激光器的光束质量因子可以小于1，光子学报, 2000, 30 (3) : 381～ 384
4. 江剑平，半导体激光器 ，北京: 电子工业出版社, 2000: 194
5. 晏长岭,宁永强,秦莉,张淑敏,赵路民.高功率InGaAs量子阱垂直腔面发射激光器的研制[J].2004,33(9):1029~1031

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