量子阱半導(dǎo)體激光器簡述

1、上海大學(xué) 2016 2017 學(xué)年 秋 季學(xué)期研究生課程考試（論 文）課程名稱： 半導(dǎo)體材料 (Semiconductor Materials) 課程編號： 101101911 論文題目: 量子阱及量子阱半導(dǎo)體激光器簡述 研究生姓名: 陳卓 學(xué) 號: 16722180 論文評語:（選題 文獻綜述 實驗方案 結(jié)論合理性 撰寫規(guī)范性 不足之處）任課教師: 張兆春 評閱日期: 課程考核成績考核內(nèi)容文獻閱讀、講述與課堂討論小論文比例7030成績總評成績量子阱及量子阱半導(dǎo)體激光器簡述陳卓（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院電子信息材料系，上海 200444）摘要: 本文接續(xù)課堂所講的半導(dǎo)體激光二極管進行展開。對

2、量子阱結(jié)構(gòu)及其特性以及量子阱激光器的結(jié)構(gòu)特點進行闡釋。最后列舉了近些年對量子阱激光器的相關(guān)研究，包括阱層設(shè)計優(yōu)化、外部環(huán)境的影響（粒子輻射）、電子阻擋層的設(shè)計、生長工藝優(yōu)化等。關(guān)鍵詞：量子阱 量子尺寸效應(yīng) 量子阱激光器 工藝優(yōu)化 1、 引言 半導(dǎo)體激光器自從1962年誕生以來，就以其優(yōu)越的性能得到了極為廣泛的應(yīng)用1，它具有許多突出的優(yōu)點：轉(zhuǎn)換效率高、覆蓋波段范圍廣、使用壽命長、可直接調(diào)制、體積小、重量輕、價格便宜、易集成等。隨著新材料新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)和制造工藝水平的不斷提高，其各方面的性能也進一步得到改善，應(yīng)用范圍也不在再局限于信息傳輸和信息存儲，而是逐漸滲透到材料加工、精密測量、軍事、醫(yī)學(xué)和

3、生物等領(lǐng)域，正在迅速占領(lǐng)過去由氣體和固體激光器所占據(jù)的市場。20世紀70年代的雙異質(zhì)結(jié)激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出現(xiàn)的應(yīng)變量子阱激光器是半導(dǎo)體激光器發(fā)展過程中的三個里程碑。2制作量子阱結(jié)構(gòu)需要用超薄層的薄膜生長技術(shù)，如分子外延術(shù)（MBE）、金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）、化學(xué)束外延（CBE）和原子束外延等。3我國早在1974年就開始設(shè)計和制造分子束外延（MBE）設(shè)備，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半導(dǎo)體所（ISCAS）使用國產(chǎn)的MBE設(shè)備制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs應(yīng)變多量子阱激光器室溫下閾值電流為1.55mA，連續(xù)輸

4、出功率大于30mW，輸出波長為1026nm。4量子阱特別是應(yīng)變量子阱材料的引入減少了載流子的一個自由度，改變了K空間的能帶結(jié)構(gòu)，極大的提高了半導(dǎo)體激光器的性能，使垂直腔表面發(fā)射激光器成為現(xiàn)實，使近幾年取得突破的GaN藍綠光激光器成為新的研究熱點和新的經(jīng)濟增長點，并將使半導(dǎo)體激光器成為光子集成（PIC）和光電子集成（OEIC）的核心器件。減少載流子一個自由度的量子阱已經(jīng)使半導(dǎo)體激光器受益匪淺，再減少一個自由度的所謂量子線（QL）以及在三維都使電子受限的所謂量子點（QD）將會使半導(dǎo)體激光器的性能發(fā)生更大的改善，這已經(jīng)受到了許多科學(xué)家的關(guān)注，成為半導(dǎo)體材料的前沿課題。2、 量子阱的結(jié)構(gòu)與特性1、 態(tài)

5、密度、量子尺寸效應(yīng)與能帶 量子阱由交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的半導(dǎo)體超晶格產(chǎn)生。超晶格結(jié)構(gòu)源于60年代末期貝爾實驗室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄層晶體的量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)超薄有源層材料后小于電子的德布羅意波長時，有源區(qū)就變成了勢阱區(qū)，兩側(cè)的寬帶系材料成為勢壘區(qū)，電子和空穴沿垂直阱壁方向的運動出現(xiàn)量子化特點。從而使半導(dǎo)體能帶出現(xiàn)了與塊狀半導(dǎo)體完全不同的形狀與結(jié)構(gòu)。1970年首次在GaAs半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)。江崎(Esaki)等人把超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。理想超晶格的空間結(jié)構(gòu)及兩種材料的能帶分布分別如圖和圖。 圖1.理想超晶格空間結(jié)構(gòu) 圖2.超晶格材料能帶分布圖 要

6、想弄清量子阱激光器的工作原理，必須對其結(jié)構(gòu)、量子化能態(tài)、態(tài)密度分布等作深入的了解，從而弄清量子尺寸效應(yīng)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)等量子阱以及激光器工作的條件。5半導(dǎo)體材料中，當(dāng)其吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對或其電子-空穴對復(fù)合發(fā)射出光子時，都會涉及載流子躍遷的能態(tài)及載流子濃度。載流子的濃度是由半導(dǎo)體材料的態(tài)密度和費米能級所決定的，前者表征不同能態(tài)的數(shù)量的多少，后者表征載流子在具體能級上的占有幾率。在半導(dǎo)體的體材料中，導(dǎo)帶中電子的態(tài)密度可以表達為 ， （1） 式中me*為電子的有效質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)，E為電子的能量。由此可見，體材料中的能態(tài)密度同能量呈拋物線的關(guān)系。在量子阱中，設(shè)x方向垂直勢阱層，則勢阱中的電子

7、在y-z平面上作自由運動(與體材料相同)，而在x方向上要受兩邊勢壘的限制。假定勢阱層的厚度為Lx，其熱勢壘高度為無窮大，則量子效應(yīng)使得波矢kx取分立數(shù)值： ， （2）式中的 m =1，2，3 ，是不為零的正整數(shù)。對應(yīng)的能量本征值Em只能取一系列的分立值，第m個能級的能量Emc為 ， （3）式中mem*為導(dǎo)帶中第m個能級上電子的有效質(zhì)量。m=1時，E1c為導(dǎo)帶第一個能級的能量。因此，電子能量小于E1c的能態(tài)不復(fù)存在，只有那些大于E1c的能態(tài)才會存在。對應(yīng)于E1c量子態(tài)的態(tài)密度為 . （4）依此類推，對于其他量子態(tài)Emc也有相應(yīng)的態(tài)密度表達式，因此量子阱中導(dǎo)帶的總體態(tài)密度為 ， （5）式中mem*

8、為第m個能級上電子的有效質(zhì)量，H( E-Emc)為Heaviside函數(shù)，其表達式為 （6） 從該式可以看出，導(dǎo)帶中的電子的態(tài)密度呈階梯狀。同樣地，我們也可以用類似的方式表達價帶中空穴的態(tài)密度。由于價帶通常是簡并的，同時存在有重空穴帶和輕空穴帶，其有效質(zhì)量分別以mhh*和mlh *表示。6又有量子阱中電子的運動服從薛定諤方程。如前文分析，在y-z平面內(nèi)，電子不受附加周期勢的作用，與體材料中電子的運動規(guī)律相同，相應(yīng)的能量表達式為 ， （7） 其中ky、kz分別為電子在y和z方向上的波矢，m/*是電子y-z平面上的有效質(zhì)量。在x方向上，電子受到阱壁的限制，能量是量子化的，只能取一些分立的值，即 （

9、nx,2,3,）. （8）所以，電子的總能量為：E=Ex+Eyz，即由于Eyz的作用，相當(dāng)于把能級En展寬為能帶，稱為子能帶。 即材料能帶沿kx方向分裂為許多子能帶（圖4（a）。而且態(tài)密度呈現(xiàn)階梯狀分布，同一子能帶內(nèi)態(tài)密度為常數(shù)，（圖4（b）。由圖4（b）可以看出，盡管量子阱中的電子和空穴態(tài)密度為階梯狀，其包絡(luò)線依然是拋物線。在該圖中還可以看到多個子帶，對于第一個子帶來說，其態(tài)密度都是一個常數(shù)。正是載流子二維運動的這種特性有效地改變了其能態(tài)密度和載流子的分布，因而有效地改進了量子阱中載流子的輻射復(fù)合效率。 (b) （a） （b）圖4.(a)量子阱導(dǎo)帶和價帶中子能帶沿k/方向的分布：導(dǎo)帶子能帶仍

10、是拋物線型分布，價帶中子能帶卻與拋物線型相差很多，這是由于價帶中輕重空穴帶混合（mixing）所致；（b）體材料與量子阱有源材料態(tài)密度（E）對比圖：量子阱中能帶分裂為子能帶（n1，2，），Eg-b與Eg-q為分裂前后禁帶寬度，且Eg-bEg-b，量子阱激光器的輸出波長通常要小于同質(zhì)的體材料激光器。 (4)在導(dǎo)帶中子能帶沿k/的分布仍是拋物線型，而在價帶中卻遠非如此，這是由于重空穴帶和輕空穴帶混合（mixing）并相互作用所致，這使得價帶的能態(tài)密度分布并不像右圖所示的那樣呈現(xiàn)階梯狀，而是使價帶的能態(tài)密度增大，加劇了價帶和導(dǎo)帶能態(tài)密度的不對稱，提高了閾值電流，降低了微分增益，從而使激光器的性能，這

11、種情況要靠后面要提的應(yīng)變量子阱來改善。2、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 半導(dǎo)體激光二極管是通過p-n結(jié)注入載流子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。將電流通過 p-n結(jié)注入到有源區(qū)，使其導(dǎo)帶底附近的電子濃度和價帶頂附近的空穴濃度遠遠大于平衡態(tài)時的濃度，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在平衡態(tài)時，我們通常用費米能級F來描述電子和空穴的分布狀態(tài)。當(dāng)外加電壓注入電流時，可以采用n區(qū)和p區(qū)的準費米能級Fn和Fp來描述電子和空穴在能級E上的占有情況，在能量為E處的電子和空穴的占據(jù)幾率分別為 ， （9） ， （10）有源區(qū)中總的自由載流子電子和空穴的濃度分別為 ， （11） . （12）事實上，總的自由載流子濃度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谄胶鈺r載流子濃度同注入載流子濃

12、度之和，即 n =n0 +n , p =p0 +p。注入載流子的濃度n和p大于平衡載流子濃度才可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即n n0，p p0。注入的電流的密度決定準費米能級的位置，因而也決定了電子和空穴的準費米能級間距Fn -Fp的大小。在體材料中，要想實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，n區(qū)和p區(qū)的準費米能級差必須大于禁帶寬度： . （13）在量子阱中，帶隙不再是原來體材料的帶隙Eg，而應(yīng)當(dāng)以Eg1代之，即 ， （14）則得到量子阱中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件為 . （15）進一步推廣至量子阱中各能級，可以得出量子阱結(jié)構(gòu)受激發(fā)射必須滿足的條件7為 . （16）3、 單量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）對光子的限制在量子阱激光

13、器中，由于有源層厚度很小，若不采取措施，會有很大一部分光滲出。對SQW采取的辦法是采用如圖5所示的分別限制（separated confinement heterojunction）結(jié)構(gòu)，在阱層兩側(cè)配備低折射率的光限制層（即波導(dǎo)層）。該層的折射率分布可以是突變的（如圖5（b）左圖所示）也可以是漸變的（如右圖），分別對應(yīng)波導(dǎo)層帶隙的突變和漸變）。Eg厚度圖5（a）grated indexGRINSCH-SQWStep-index SCH-SQW折射率圖5（b）圖5.（a）單量子阱激光器的禁帶寬度分布；（b）分別限制單量子阱激光器（SCH-SQW）的折射率分布，左邊是階梯型（step index）

14、，右邊是漸變型（grated index）（對應(yīng)帶隙漸變）MQW有由多個窄帶隙和寬帶隙超薄層交替生長而成，在兩邊最外的勢壘層之后再生長底折射率的波導(dǎo)層以限制光子，這等效于加厚了有源層，使激光器的遠場特性有大幅度改善，其原理如圖6所示。折射率厚度Eg阱壘波導(dǎo)圖5 多量子阱禁帶寬度及折射率隨厚度分布分布圖6.多量子阱禁帶寬度及折射率隨厚度分布4、應(yīng)變量子阱前面提到的量子阱材料的使用大大改善了半導(dǎo)體激光器的性能，與含厚有源層的雙異質(zhì)結(jié)一樣，要求組成異質(zhì)結(jié)的材料之間在晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)是匹配的，否則將會造成懸掛鍵，對器件性能造成不利的影響。但是只要將超薄層的厚度控制在某一臨界尺寸以內(nèi)，存在于薄層內(nèi)的應(yīng)

15、變能可通過彈性形變來釋放而不產(chǎn)生失配位錯，相反，薄層之間的晶格常數(shù)失配所造成的應(yīng)力能使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生有利變化，而且，應(yīng)變的引入降低了晶格匹配的要求，可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)整化合物材料各成分的比例。（1）壓應(yīng)變與張應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，設(shè)結(jié)平面為x-y平面，晶體生長方向為z方向，阱層晶格常數(shù)為ao，壘層晶格常數(shù)為as，當(dāng)在壘層上生長出很薄的阱層材料時，在x-y平面內(nèi)，阱層材料的晶格常數(shù)變?yōu)閍/=as，為保持晶胞體積不變，在z方向上，阱層材料晶格常數(shù)變?yōu)閍。 若a/=asaoaoa，則阱層內(nèi)產(chǎn)生張應(yīng)變（tensile strain） 總的應(yīng)變可分解為純的軸向分量和靜態(tài)分量。aoasa/Z（）/圖7.晶格失配

16、引起的應(yīng)變（2） 應(yīng)變導(dǎo)致的材料能帶變化a、 先不考慮阱中的量子效應(yīng)，而只考慮純粹的應(yīng)變的影響（圖8）。 (a)unstrained (b)under biaxial compression (c)under biaxial tension圖8.（a）無應(yīng)變時能帶分布；（b）壓應(yīng)變下能帶變化；（c）張應(yīng)變下能帶變化 （a）靜態(tài)分量將使價帶整體上移h1（meV），而使價帶整體下移h2（meV）（對于張應(yīng)力h10，h20）。即壓應(yīng)變的靜態(tài)分量將使阱材料的禁帶變寬，而張應(yīng)變的將使其變窄。這會改變激光器的輸出波長。 （b）更重要的是，應(yīng)變的軸向分量將會使價帶產(chǎn)生更大的變化：價帶在整體移動的基礎(chǔ)上，重空

17、穴帶和輕空穴帶分離，分別上移和下移s/2（meV）（對張應(yīng)力，s Eg。量子阱中首先是E1c和E1v之間電子和空穴參與的復(fù)合，所產(chǎn)生的光子能量h=E1c -E1v Eg，即光子能量大于材料的禁帶寬度。相應(yīng)地，其發(fā)射波長=1. 24 /( E1c -E1v)小于Eg所對應(yīng)的波長g，即出現(xiàn)了波長藍移。其次，量子阱激光器中，輻射復(fù)合主要發(fā)生在E1c和E1v之間，這是兩個能級之間電子和空穴參與的復(fù)合，不同于導(dǎo)帶底附近和價帶頂附近的電子和空穴參與的輻射復(fù)合，因而量子阱激光器的光譜的線寬明顯地變窄了。第三，在量子阱激光器中,由于勢阱寬度Lx通常小于電子和空穴的擴散長度Lc和Lh，電子和空穴還未來得及擴散就

18、被勢壘限制在勢阱之中，產(chǎn)生很高的注入效率，易于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其增益大為提高，甚至可高達兩個數(shù)量級。此外，還有一個十分有趣的物理現(xiàn)象，即在量子阱結(jié)構(gòu)中,注入載流子通過同聲子的相互作用，使較高階梯能態(tài)上的電子或空穴轉(zhuǎn)移到較低能態(tài)上,從而出現(xiàn)“聲子協(xié)助受激輻射”?？梢?，聲子協(xié)助載流子躍遷是量子結(jié)構(gòu)的一個重要特性。如果量子阱數(shù)為m，條型寬率為W，腔長為L，那么量子阱激光器的閾值電流為 . （17） 式中1為垂直方向的光學(xué)限制因子，也即此前所描述的光學(xué)限制因子，而2為平行于結(jié)平面的光學(xué)限制因子，它計入了窄條寬度的影響。由于條寬有限，光場在橫向上會擴展至條外。分析可得，閾電流等于Jth同結(jié)面積WL的乘積

19、。量子阱激光器的Jth可降至100A /cm2。條寬通常為2m或更窄，如果腔長L1m，則Ith僅為微安量級。這種腔長僅為m量級的激光器便是現(xiàn)今人們正在熱心研究的微腔激光器。眾所周知，半導(dǎo)體器件對溫度十分靈敏，其特性常常因溫度升高而變壞。在激光器中，Ith =Ithoexp( T/T0) ，T0為特征溫度，它越大則器件性能越穩(wěn)定。對于AlGaAs激光器，T0通常為120K，而AlGaAs量子阱激光器的T0通常高于160K，甚至有的高達300K。對于InGaAsP 激光器，由于其價帶的俄歇復(fù)合效應(yīng)，使得電流泄漏較大，通常T050K。而采用量子阱結(jié)構(gòu)之后，其T0可達150K甚至更高。因而量子阱使In

20、GaAsP激光器的溫度穩(wěn)定性大為改善，這在光纖通信等應(yīng)用中至關(guān)重要。4、 半導(dǎo)體量子阱激光器相關(guān)研究舉例1、小發(fā)散角量子阱激光器 半導(dǎo)體激光器的快軸方向發(fā)散角度由外延層的結(jié)構(gòu)決定，確切地說是由波導(dǎo)模式確定，而波導(dǎo)模式又主要由波導(dǎo)的折射率構(gòu)型決定。在降低量子阱激光垂直發(fā)散角方面，已有一些研究機構(gòu)進行了嘗試，研制出采用大光腔、 非對稱包層、 非對稱脊波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)來減小發(fā)散角 11-15 。在大功率情況下，目前存在的極窄波導(dǎo)、 寬波導(dǎo)、模式擴展波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)方法，可將LD垂直方向的發(fā)散角降低到20左右， 但這時寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)需要把波導(dǎo)層加厚到3m左右，這在工藝實現(xiàn)上存在一定困難 16-17 。李雅靜 18 等

21、使用三層平板波導(dǎo)理論分析了半導(dǎo)體量子阱激光器遠場分布。針對大功率激光器討論了極窄和模式擴展波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方法減小垂直方向遠場發(fā)散角，得到了極窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)量子阱激光器遠場分布的簡化模型，獲得了垂直發(fā)散角的理論值；使用傳輸矩陣方法模擬了模式擴展波導(dǎo)結(jié)構(gòu)量子阱激光器的近場光斑及遠場分布，獲得垂直方向遠場發(fā)散角的減小值。實驗測試了極窄和模式擴展波導(dǎo)結(jié)構(gòu)量子阱激光器的垂直發(fā)散角，理論結(jié)果與實驗測試獲得的發(fā)散角基本一致，實現(xiàn)了降低發(fā)散角的要求，獲得了小發(fā)散角量子阱激光器。2、 粒子輻射對激光器的影響量子阱激光器憑借優(yōu)異的特性在衛(wèi)星激光通信中發(fā)揮著作用。但是由于衛(wèi)星激光通信終端面臨著空間粒子輻射的影響，很有可能造成

22、激光器性能下降，嚴重威脅系統(tǒng)的安全及壽命。因此有必要對量子阱激光器的輻射耐受性進行深入的研究。一般來說，輻射粒子與半導(dǎo)體相互作用主要有兩種方式：一種為電離效應(yīng)，其會引起靶原子電荷的激發(fā)，將會在材料中產(chǎn)生瞬時的擾亂和半永久性的影響，只要輻射粒子交給電子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就將使價帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去，產(chǎn)生電子空穴對, 即非平衡載流子。由于半導(dǎo)體中載流子是可以移動 的，這些非平衡載流子最終將會復(fù)合，也就是說并不能產(chǎn)生永久的效應(yīng)。 19 輻射與材料的另一種作用方式是位移效應(yīng)，即入射粒子將其能量的一部分交給靶 原子，一旦這個能量足夠大，晶格原子將克服周圍原子對其的束縛，導(dǎo)致其離開正常的晶格位

23、置，形成位移缺陷，稱為位移損傷。半導(dǎo)體激光器的首要損傷模式為位移損傷效應(yīng)。 為了評估輻射環(huán)境下激光器的性能的變化，馬晶 20 等使用加速器對量子阱半導(dǎo)體激光器進行了總通量1x1016cm-2的電子輻照實驗輻射實驗。結(jié)果表明，在輻射環(huán)境下激光器的輸出功率下降、閾值電流增加，從理論上分析了位移效應(yīng)對量子阱激光器的影響，并推導(dǎo)了電子通量與相對閉值電流變化、相對輸出功率變化的函數(shù)關(guān)系式。該公式可用于預(yù)測激光器在輻射環(huán)境下的性能變化。3、 量子阱激光器的高溫穩(wěn)定性 作為Cs原子鐘的核心部件，852nm半導(dǎo)體激光器需要在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，因此要具有良好的溫度穩(wěn)定性，且其波長溫漂越小越好。由于有源區(qū)材料的

24、禁帶寬度、外延層材料的折射率等都會隨溫度發(fā)生變化，因此激射波長也會隨之發(fā)生變化。其中，量子阱的禁帶寬度隨溫度發(fā)生的變化是最主要的影響因素，所以研究激光器設(shè)計中量子阱材料的選擇非常重要。目前，852nm半導(dǎo)體激光器的量子阱材料主要有AlGaAs，InGaAs，InGaAsP等。法國的Alcatel Thales III-V實驗室采用InGaAsP量子阱，斜率效率達到0.9W/A，波長隨溫度漂移為0.26nm/，功率為280mW 21 ；德國的Ferdinand Braun研究所采用脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，量子阱采用InGaAsP材料，斜率效率達到1W/A，波長隨溫度漂移為0.25nm/，功率為250mW

25、22。量子阱決定了半導(dǎo)體激光器的最終性能，因此精確控制及在線監(jiān)測量子阱的外延生長非常重要。反射各向異性譜（ReflectanceAnisotropy Spectroscopy，RAS）已經(jīng)被證明是在線監(jiān)測并研究外延層組份控制和多量子阱應(yīng)變影響的有力工具 23-24。 徐華偉 25等設(shè)計并外延生長了具有高溫度穩(wěn)定性的InAlGaAsAlGaAs應(yīng)變量子阱激光器，用于解決852nm半導(dǎo)體激光器在高溫環(huán)境下工作時的波長漂移問題?；诶碚撃Ｐ?，計算并模擬對比了InAlGaAs，InAlGaP，InGaAs和GaAs量子阱的增益及其增益峰值波長隨溫度的漂移。結(jié)果顯示，采用In0.15Al0.11Ga0.

26、74As作為852nm半導(dǎo)體激光器的量子阱可以使器件同時具有較高的增益峰值和良好的波長溫漂穩(wěn)定性。使用金屬有機化合物氣相淀積（MOVCD）外延生長了In0.15Al0.11Ga0.74AsAl0.3Ga0.7As有源區(qū)，通過反射各向異性譜（RAS）在線監(jiān)測和PL譜研究了InAlGaAsAlGaAs界面的外延質(zhì)量，實驗證明了通過降低生長溫度和在InAlGaAsAlGaAs界面處使用中斷時間，可以有效抑制In析出，從而獲得InAlGaAsAlGaAs陡峭界面。最后，采用優(yōu)化后的外延生長條件，研制出了InAlGaAsAlGaAs應(yīng)變量子阱激光器。實驗測試結(jié)果顯示，其光譜半高寬、斜率效率、激射波長隨溫

27、度漂移的理論計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果相吻合，證明器件性能滿足在高溫環(huán)境下工作的要求。4、 電子阻擋層的設(shè)計InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱激光器是25m波段的理想光源，在人體組織手術(shù)、痕量氣體檢測以及激光雷達等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用26-27。但是，高閾值電流和低特征溫度一直是限制其轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的主要因素28-29。Xia30等證明了有源區(qū) Auger復(fù)合所造成的高能載流子泄漏是影響激光器閾值 電流和溫度敏感特性的重要因素之一。另外，電子在p型限制層的泄漏產(chǎn)生的熱量會使激光器的結(jié)溫迅速升高，嚴重影響了器件壽命。31增加阱數(shù)可以改善上述情況，但是阱數(shù)過多會增加器件的內(nèi)損耗，激光器室溫閾值

28、電流也將隨之變大32，器件性能反而降低。安寧33等為了降低2m InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱激光器的閾值電流并獲得良好的溫度特性，在p型波導(dǎo)層及限制層之間引入AlGaAsSb電子阻擋層。采用理論計算方法模擬了電子阻擋層對InGaAsSb/AlGaAsSb LD輸出特性的影響。研究結(jié)果表明: 電子阻擋層結(jié)構(gòu)可有效減少2m InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱激光器的 Auger復(fù)合，抑制量子阱中導(dǎo)帶電子向p型限制層的溢出，降低器件的閾值電流，同時改善了溫度敏感特性。5、 壘層和阱層厚度對量子阱激光器性能的影響 氮化鎵(GaN)基材料被稱為第三代半導(dǎo)體, 在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)

29、域有重要的應(yīng)用價值。作為一種重要的GaN基光電子器件，GaN基激光器在激光顯示、激光印刷、激光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，國際上受到極大關(guān)注。要研制出高性能的GaN基激光器，難度很大，不僅需要高質(zhì)量的材料，還需要優(yōu)化的工藝制作。另外，激光器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括限制層、波導(dǎo)層、有源層等，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計也非常重要，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠改善器件性能。InGaN量子阱是GaN基激光器的有源層，也是核心區(qū)域之一。 周梅34等采用LASTIP軟件研究了InGaN/GaN(In組分為15%)量子阱壘層和阱層厚度對GaN基藍紫光激光器性能的影響及機理。模擬計算結(jié)果表明，當(dāng)阱層太薄或太厚時，GaN基激光器的閾值電流

30、增加、輸出功率下降，最優(yōu)的阱層厚度為4.0 nm左右；當(dāng)阱層厚度太薄時，載流子很容易泄漏，而當(dāng)阱層厚度太厚時，極化效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)光效率降低，研究還發(fā)現(xiàn)，與壘層厚度為7 nm相比，壘層厚度為15 nm時激光器的閾值電流更低、輸出功率更高，因此適當(dāng)?shù)卦黾訅緦雍穸饶茱@著抑制載流子泄漏，從而改善激光器性能。五、總結(jié) 本文簡要介紹了量子阱結(jié)構(gòu)的一些特性，尤其是其作為半導(dǎo)體激光器有源層的特點，包括：阱中載流子態(tài)密度的階梯狀分布、更易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件以及對光子的限制等。還介紹了近些年對量子阱激光器的相關(guān)研究，包括阱層設(shè)計優(yōu)化、外部環(huán)境的影響（粒子輻射）、電子阻擋層的設(shè)計、生長工藝優(yōu)化等。 參考文獻1劉恩科等

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