半导体激光器的研究

半导体激光器的研究

半导体激光器是近年来应用非常广泛的一种激光器。在本实验中我们将对半导体激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。

【实验内容】

1．激光二极管（LD）的伏安特性测量。

2．LD的发光强度与电流的关系曲线测量。

3*．LD发光光谱分布测量。

4*．LD发光偏振特性分析。

【实验仪器】

激光二极管，电压表，电流表，激光功率计，分光计，格兰—泰勒棱镜等

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半导体激光器件

按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。这里主要讨论前者。

半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。

半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。

1 概述

1）半导体激光器的分类

从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看，又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外，为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵等。

2）半导体激光器的工作原理

半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。图示给出了GaAs激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口，激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形等多种。它的核心部分是PN结。半导体激光器PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。

半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分

立能级，而变成能带，如图所示。

在低温下，晶体中的电子都被原子紧紧束缚着，不能参与导电，价带以上的能带基本上空的。当价带中的电子受到热或光的激发，获得足够的能量，即可跃迁到上面的导带。导带与价带中的禁带宽度E g 又取决于导带底的能量E C 和价带顶的能量E V ，且有

V C g E E E -=

半导体材料很多，但目前常用的有两大类：一类是以砷化镓(GaAs)和镓铝砷(Ga l-x Al x As)，其中下标x 表示GaAs 中被Al 原子取代的Ga 原子的百分比数。x 值决定了波长，通常为850nm 左右。这种器件主要用于短距离光通信和固体激光器的泵浦源。另一类材料是以镓铟磷砷(Ga l-x In x As l-y P y ，)和磷化铟(InP)，其激活波长为920nm ～1.65μm 。特别是1.3μm 和1.55μm 广泛用于光纤通信中。

产生激光的机理与其它激光工作物质相似，半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。在电流或光的激励下，半导体价带上的电子获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。导带中的电子跃迁到价带上，与价带中的空穴复合，同时把大约等于的能量以光子形式辐射出来，这相应于自发辐射或受激辐射。显然，当半导体材料中实现粒子数反转，使得受激辐射为主，就可以实现光放大。如果构成谐振腔，使光增益大于光损耗，就可以产生激光。

问题是，怎样才能在半导体中实现粒子数反转?

应当指出，半导体激光器的核心是PN 结，见图(a )，它与一般的半导体PN 结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即P 型半导体中的空穴极多，N 型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器PN 结中的自建场很强，结两边产生的电位差V D (势垒)很大。 当无外加电场时，PN 结的能级结构如图(b )所示，P 区的能级比N 区高eV D ，并且导带底能级(E C )N 比价带顶级(E V )P 还要低。由于能级越低，电子占据的可能性越大。所以N 区导带中(E C )N 与费米能级E F 间的电子数，比P 区价带中(E V )P 与费米能级E F 间的电子数多。 当外加正向电压时，PN 结势垒降低。在电压较高、电流足够大时，P 区空穴和N 区电子大量扩散并向结区注入，并如图(c )所示，在PN 结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成电子数反转分布区域，称为激活区(也称为介质区、有源区)。因为电子的扩散长度比空穴大，所以激活区偏向P 区一边。在激活区内，由于电子数反转，起始于自发辐射的受激辐射大于受激吸收，产生了光放大。进一步，由于两解理面可以构成谐振腔，所以光不断增强。形成了激光。

上述分析可知，只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光；否则，只能产生荧光。在半导体激光器的输出功率P 与注入电流I 的关系曲线中，曲线的转折点对应于阈值电流。该阈值是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。一旦激光开始，曲线斜率就变陡。一般来说，发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级，而激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。

2 半导体激光器的特性

1）伏安特性

GaAs激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，如图所示。

激光器系正向运用，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。

2）阈值电流

使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度。影响阈值的因素有：

(1)晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

(2)谐振腔的损耗越小，阈值越小。若在谐振腔的一端镀上银膜，增大对红外光的反射率，可使阈值进一步降低。

(3)在一定范围内，腔长越长，阈值越低，下图是实验测得的同质结GaAs 激光器的阈值电流密度J th 与腔长L 和反射率R 的关系曲线。

(4)温度对阈值电流的影响很大，由温度变化时测得的阈值电流密度变化曲线可见，在100K 以下，阈值与温度的关系较小，l00k 以上，阈值随T 的三次方增加。因此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。

下图为半导体激光束的空间分布。图中选坐标y 轴与结平面平行，z 轴与结平面垂直。设激光在结平面方向的半功率宽度为//θ，垂直于结平面方向的束宽为⊥θ，则基模束宽

ωλθ///=

式中，ω为结区水平方向尺寸，λ为激光波长。而垂直于结平面方向的束宽为

d /2λθ=⊥

式中，d 为有源区的厚度，通常大于l μm ，近似地可按照窄的单缝衍射角的宽度来计算。实际上⊥θ符合实际情况，而//θ则与实际相差很远，则不能用源场发散角的计算方法来计算。

3）方向性

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达20°～30°。在结的水平面内，发散角约为几度。

4）光谱特性

下图是GaAs 激光器的发射光谱，其中图(a )是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几十纳米，图(b )是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽约零点几纳米。半导体激光的谱宽尽管比荧光窄得多，但因其特殊的电子结构，受激复合辐射发生在导带和价带之间，所以比气体和固体激光器要宽得多，而且在室温下更宽，达几纳米。可见半导体激光器的单色性较差。随着新器件的出现，已有所改善，如分布反馈式半导体激光器的线宽，只有0.1nm 左右。

半导体激光器的工作波长随结构不同而不同。例如，对于双异质结激光器，可以通过改变A1GaAs 材料中的A1含量，产生0.751μm ～0.92μm 波长范围的激光，而目前最广泛采用的波长是0.85μm 。近几年来，由于光纤制造技术的发展，在1.0μm ～1.8μm 内，尤其是在

1.3μm ～1.55μm 范围内的光纤传输损耗极低，因此，由于光纤通信的推动，人们正致力于研究长波长激光器。例如，砷镓铟 (In x Ga l-x As)激光器(0.87μm ～1.7μm)，锑砷镓(GaAs l-x Sb x )激光器(0.4μm 一1.4μm)，磷砷镓铟(In x Ga l-x As l-y P y )激光器(0.92μm ～1.7μm)。其中，四元化合物InGaAsP 用的比较多，所选用的x ，y 关系，一般为y =

2.16(1-x )。

5）转换效率

注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。

（1）量子效率

量子效率定义为

e

i i h P P th th D /)(/)(--=νη 式中，P 是输出功率，P th 是阈值发射光功率，hv 为发射光子能量，i 是正向电流，i th 是正向阈值电流，e 为电子电荷。由于P >> P th ，所以上式可改写为

V

i i P e i i h P th th D )(/)(/-=-=νη 式中，V 是正向偏压。由该式可见，D η实际上对应于输出功率与正向电流的关系曲线中阈值以上线性范围内的斜率。

（2）功率效率

功率效率P η定义为激光器的输出功率与输入电功率之比，即

S

P R i iV P 2+=η 式中，V 是PN 结上的电压降，R S 是激光器串联电阻(包括材料电阻和接触电阻)。由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。

3 典型的半导体激光器

常见的半导体激光器有：边缘发射与表面发射半导体激光器，同质结半导体激光器，异质结半导体激光器，可见光半导体激光器，分布反馈式半导体激光器和量子阱激光器。

1）半导体结型二极管注入式激光器

早期半导体激光器的结构如图所示，它是在半导体的正偏PN 结上注入载流子而产生光辐射，所以称之为半导体结型二极管注入式激光器。通常采用砷化镓作为半导体物质，波长为840nm ，处于近红外线区。

半导体激光器是把PN 切成方块，焊上电极，长方形的侧面磨毛，其两断面是平行平面，形成F-P 腔，这两个断面可以是磨制而成的，也可以直接利用晶体的解理面。当施加于激光器的电流超过阈值时，便产生激光辐射。散热器用来降温，以使激光二极管输出稳定的光强和稳定的波长。

这种早期的半导体激光器也称之为边缘发射半导体激光器(Edge-Emitting Semiconductor Laser)，因其狭窄的断面使它的输出光束截面不是圆形的，而是椭圆形的，而且其发散角较大。这一缺点限制了它的应用范围。近几年利用集成电路技术，研制了一种所谓垂直腔表面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser ，简称VCSEL)，克服了边缘发射半导体激光器的缺点。

2）垂直腔表面发射半导体激光器

早在1989年美国A T&T 贝尔实验室和贝尔通信研究所共同研制成功了第一个低阈值的垂直腔表面发射半导体激光器(简称表面发射半导体激光器)，能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅1mA 。到20世纪末，美国光子学研究所建成了VCSEL 的商品生产基地。VCSEL 的商品化将带来光电脑的革新，有助于实现人工智能讲将带来光纤通信联网的革新等。

这种表面发射半导体激光器的重要特性之一，是从垂直于半导体薄片的方向发射激光，

这样就使激光束的截面成为圆形，并使激光束的发散角减小了，从而克服了原来从半导体侧面发射激光的缺点。下图比较了表面发射半导体激光器阵列和边缘发射半导体激光器阵的下述几个方面的差别：制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小，最小可到1μm，而每一个边缘发射半导体激光器最小也有50μm。

3）同质结半导体激光器

如果P型半导体和N型半导体材料都是GaAs，所形成的PN结叫同质结(HOS)，如图所示。

同质结半导体激光器加上正向偏压时，其能级结构如图(a)所示。电子向PN结注入，并在偏向P区一侧的激活区内复合辐射，激活区的厚度d～2μm。当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽。同时，由图可见，激活区的折射率略高于P区和N区，“光波导效应”不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。所以同质结半导体激光器的阈值

电流密度很高，达(33104～53104)A／cm2。这样高的电流密度，将使器件发热。故同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率(几kHz～几十kHz)脉冲工作。

4）异质结半导体激光器

为了克服同质结半导体激光器的缺点，提高功率和效率，降低阈值电流，研制出了异质结半导体激光器。由不同材料的P型半导体和N型半导体构成的PN结叫异质结(HES)。

单异质结半导体激光器(SHL)结构如图(b)所示，单异质结是由P-GaAs与P-GaAlAs形成的。单异质结激光器施加正向偏压时，其能级结构和折射率分布如图(b)所示。电子由N 区注入P-GaAs，由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d～2μm，同时，因P-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。这两个因素使得单异质结激光器的阈值电流密度降低了l～2个数量级，约8000A／cm’。

双异质结半导体激光器(DHL)指的是在激活区两侧，有两个异质结，如图(c)所示。双异质结激光器施加正向偏压时，其能级和折射率分布如图(c)所示。激活区内注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d～0.5μm。同时，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应”非常显著，使光波传输损耗大大减小。所以，双异质结激光器的阈值电流密度更低，可降到(102～103)A／cm2。当采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器时，阈值电流密度下降到几A／cm2。目前，这种激光器已成为极为重要的、实用化的相干光源。

5）可见光半导体激光器

通常，人们将波长短于800nm的半导体激光器称为可见光半导体激光器。在以往的可见光激光器应用中，基本上都是He-Ne激光器等气体激光器一统天下。由于与气体激光器相比，半导体激光器具有体积小、工作电压低，能直接高速调制、便于集成等优点，人们便很自然地提出能否研制出实用的可见光半导体激光器取代气体激光器?尤其是对于高密度光信息处理系统，如光盘、激光打印机、条形码扫描等诸方面的应用，各类(如红、绿、蓝、黄色)可见光半导体激光器更成为极有吸引力的光源(图5．3．4为国产的红、绿系列激光器市售产品)。

从1962年第一支GaAs红外激光器问世，到了20世纪80年代，光盘用半导体激光器走向实用化，并行成工业化生产。这个时候，780nm波段的AIGaAs／GaAs异质结激光器作为播放机上市。几年后，低于800nm波段的半导体激光器，成为国际激光产业统计的专项，在数量上成为半导体激光器产业的主导产品，年销售量达到10000万支以上，而且发展迅速，很快达到1亿支。红光激光器销售量达2亿支以上。20世纪80年代初期开发的CD 用的是A1GaAs材料系的780nm半导体激光器，当时比这更短的激光器尚未实用化。直到20世纪80年代中期Kobayashi等开始实现InGaAlP材料系的670nm红光激光器的室温连续激光器。20世纪90年代初Hiroyama等实现630nm红光半导体激光器的开发。此时开发的DVD系统用的就是这种激光器。应该指出，作为DVD用的红光半导体激光器，除要求优越的常规激光器参数外，还要求有高的光束质量和低的噪声水平，如笔记本电脑DVD-ROM 与车载DVD播放机用的半导体激光器，对温度特性提出越来越高的要求。为此人们也开展了大量卓有成效的研究工作。此后短波化的激光器研究得到进一步的开展，特别是20世纪90年代中期日本日亚化工的中村等人用GaN系材料成功的研制出400nm波段的蓝紫光半导体激光器，成为超高密度的最佳光源。

在20世纪80年代初，全球就有十多家大电子公司均生产出700nm一780nm波段的红光半导体激光器。其中最重要的是780nmGaAlAs半导体激光器，它已广泛应用于光存储，包括声频数字光盘(CD)，视频光盘，用于文件、资料、计算机外存软件、数据库、出版物、静像、动像、模拟光盘等的读出器。其中CD唱机占到光存储用器件的90％。可以说，可

见光半导体激光器已在所有的新唱机中取代了He-Ne激光器。780nm半导体激光器的另一个重要应用是激光打印机，由于个人和家用计算机配备这种小型打印机的需求，极大地开拓了这种半导体激光器的应用市场。

在20世纪80年代末，国外开发了650nm～690nm波段的红光半导体激光器，其中670nm 的InGaAlP红光半导体激光器已有30mW的商品出售。更值得一提的是633nm的半导体激光器，由于它的工作波长接近于He-Ne激光器，在光存储用激光光源的发展早期的光盘的光源用的是氦氖气体激光器，由于其体积大、工作电压高、能量转换效率低等缺点，很快被具有全面优异特性的半导体激光器所取代。在条形码扫描。检测、光存储、激光打印等应用中，并由此导致世界He-Ne激光器的产量，在近几年以20％左右的速度下降。目前，半导体激光器正朝着大功率、高可靠性等方向发展。特别是有望用在高速、高频的光雷达、DPSS 高性能光源中，为空间技术的发展必将做出贡献。

红光半导体激光器：波长为635nm的有3mW，5mW，10mW，15mW；波长为650nm的有5mW，10mW，15mW，30mw；波长为670nm的有5mW，10mW，15mW，30mW等。这类红光激光器的调制频率为(1～5)MHz，光束发散度可达0.1mrad，器件广泛用于准直光源、实验激光光源、标识器、指示器、腔用瞄准器等。特点：准直性好，单模输出，寿命长，体积小，价格低，功耗小，驱动电源简单(电池和普通稳压电源两用)使用方便。

绿光半导体激光器：具有很高的输出功率一体积比和性能—价格比。其特点：小体积、高稳定、长寿命、免维护、极好的模质量、更低的发散度以及热电致冷。新推出的模块式激光驱动(电源)器，能在AC85-265V电压范围内自由工作。其性能参数为

(1)波长：532nm横膜：TEM00。

(2)稳定性：<±3％。

(3)光束发散度：有<4mrad、<1.2mrad、<1.6mrad。

(4)输出功率：2、4、6、8、10、15、20、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150mW等。2

(5)寿命为5000小时～6000小时的寿命(但不包括LD微芯片技术)。

因此广泛应用于光谱学、全息术、微型材料加工、光子计数、信号传输、计量术、干涉测量术、印刷业、医疗、美容、光致发光、瞄准与准直、测距、光存储、水下探测与通信、激光广告和娱乐。

蓝(或蓝绿)半导体激光器：常见的这类激光器主要有短波长蓝光激光器，如GaN(氮化镓)、ZnSe(硒化锌)、SHG(二次谐波倍频)等。

随着GaN基蓝、绿光发光二极管实用化和商品化，在光显示上的应用已使颜色逼真的全色显示屏发出绚丽的光彩。光存储与水下光通信是目前这类半导体激光器的最主要应用。

对光盘而言，因为记录和再生的可能的容量与光源波长的2次方成反比，因而要实现光存储的高密度化，则激光光源的短波化是很必要的。为此，更宽禁带的各种半导体材料的研究以及用这些材料进行更短波长半导体激光器的开发都取得很大的进展。光存储用激光光源的发展早期的光盘的光源用的是氦氖气体激光器，由于其体积大、工作电压高、能量转换效率低等缺点，很快被具有全面优异特性的半导体激光器所取代。特别要指出的是，由于蓝、绿光波长较之红光更短，对提高信息存储密度和感光能力将更为有力。在光信息存储技术中，若采用蓝光，可使现有的CD存储密度提高4倍以上。

随着蓝、绿、黄、红等可见光半导体激光器的实用化、商品化，半导体激光器必将在家电、通信、军事等诸方面大显身手，必将进一步推动光电子技术及其产业的发展。

6）分布反馈式半导体激光器(DFB)

分布反馈式半导体激光器是伴随着光纤通信和集成光学的发展出现的。其最大特点是易

于获得单模、单频输出，并可在高速调制下保持单纵模工作，容易与光缆、光纤调制器耦合。

我们知道，普通的F-P 腔半导体激光器的光反馈是通过两个解理端面的光反射实现的，纵模的选择是由增益谱决定的，由于增益谱通常比纵模间隔宽得多，所以难于实现单纵模工作。为了实现单纵模工作，必须采用选模机构。另外，为了满足光纤通信的需要，半导体激光器应在高速调制下，仍然能使其纵模、横模固定，模式应当是动态单模激光器。DFB 激光器就是能够满足这种要求的半导体激光器。

DFB 激光器结构示意如图所示，在激光作用时，光反馈不是由激光器端面集中反射提供，而是在整个腔长上，依靠刻蚀在激光器有源层(激活区)或其相邻波导层上的周期光栅所形成的折射率微扰，通过布喇格(Bragg)衍射提供反馈的。这种反馈作用使得有源层内前向波与后向波发生相干耦合，所满足的条件是如下的布喇格条件

)2/(0r n m λ=Λ

式中，Λ为光栅周期，0λ为光波长，n r 是激活介质的折射率，m 是光栅引起的布喇格衍射级次。于是，若采用一级光栅(m=1)，只有波长满足Λ=r n 20λ的光，才能在激活区内稳定振荡，也就是说，该激光器的工作波长为Λ=r n 20λ。DFB 激光器的阈值电流密度为103A/cm 2量级，光谱线宽为零点几 A (埃)，温度波长变化约为1

A /μm ，较F-P 腔小3倍～5倍。 早期DF

B 激光器的研究工作，主要是针对有源层为GaAS 材料进行的。随着光纤通信系统的发展，研究开发了有源层为InGaAsP 材料、发射波长为1.55μm 和1.3μm 的DFB 激光器。目前，这种DFB 激光器已成为许多实际的长距离、高比特率的光纤通信系统极好的光源。

7）量子阱半导体激光器

量子阱半导体激光器是伴随着分子束外延(MBE)技术、有机金属化学汽相沉积(MOCVD)技术和近期发展的化学束外延(CBE)技术、原子层外延(ALE)技术的发展，而迅速发展起来的新型半导体激光器。

随着半导体工艺技术的不断进步，异质结的厚度愈做愈薄，例如薄到5μm ～10μm 。这样薄的有源层厚度对电子的运动会产生什么影响呢?这里有一个量变到质变的过程，也就是关于量子阱的概念。在前面曾说过，半导体中的电子和空穴参与导电，因为它们的运动是自由的。这里的自由并不是真空中的完全自由，而是有一定的约束，使电子或空穴的能量状态只能处于导带或价带上。电子运动的自由程度用电子平均自由程描述，即在一个自由程内电子运动是不受任何干扰(如碰撞)的。同质结的有源区厚度基本上就由这个自由程决定(大约

1μm)。当激活底宽度减小到1μm～10μm时，激活区宽度已经与电子的量子波长相当，甚至还要小，这时的激活区就更像陷阱一样。这时电子的运动受到强烈约束，电子和空穴在导带底和价带顶的能量状态出现不连续分布，称为量子阱(QW)。用这样的量子阱结构制成的半导体激光器就称为量子阱半导体激光器。从这个意义上说，量子阱激光器就是结区很薄的异质结激光器。

如上所述，量子阱半导体激光器与普通半导体激光器的主要区别在于它的激活区不是一层激活材料(如前面提到的P-GaAs)，而是由量子阱材料构成的。所谓量子阱是由两种带隙不同的超薄层化合物半导体交替生长的周群结构。其中，(a)是由两种组分材料的许多薄层交替堆叠而成的结构，称为多量子阱(MQW)；(b)是由两种组分薄层构成的，只有一层量子阱的结构，称为单量子阱(SQW)，图(a)中，t a表示量子阱宽度，t b表示势垒区宽度。这种量子阱材料的能带在实空间中呈现不连续分布。由于量子阱结构中的超薄层厚度可达原子层厚度，仅为几纳米到十几纳米，使其呈现出量子尺寸效应，导致其吸收、发射和载流子输运特性与常规半导体材料有很大差别。正是由于这种差别，使得量子阱半导体激光器具有极低的阈值电流(可小于1mA)、高的特征温度(大于400K)、极好的动态单模特性、高饱和输出功率等优点。

到目前为止，人们已利用MBE、MOCO CVD、CBE、ALE等技术成功地制备出了从可见光到中红外辐射的、性能优异的量子阱半导体激光器的激光阵列器件，其激励方式有光泵的，也有电注入的，反馈装置有解理面F-P腔型，也有DFB结构。

在量子阱半导体激光器的研究中，采用GaAlAs材料制备的量子阱激光器，研究得较多，也较成熟，与普通GaAs／GaAlAs DH器件相比，GaAlAs QW激光器有较低的阈值电流，较高的微分量子效率，且阈值电流受温度影响较小。目前，有两类高性能的GaAs／GaAIAs QW激光器：一类是具有梯度折射率隔离限制异质结构(GRIN-SCH) SQW激光器，其阈值电流可小于5mA，特征温度达160K，微分量子效率为81％；另一类是掩埋式MQW激光器。一种Zn扩散台面掩埋型结构的MQW激光器，室温时，阈值电流为2.4mA，77K时，下降为0.88mA。采用InGaAlP材料系统的量子阱激光器，是长距离、大容量光纤通信系统的重要光源。一种利用改进的液相外延(LPE)技术工艺制作的波长为 1.3μm的InGaAsP／InP MQW激光器，量子阱厚度为20nm，势垒层厚度为40nm～60nm，其室温阈值电流为15mA，特征温度为130K，阈值电流和微分量子效率随温度变化不明显，特别是在室温附近变化更小。对于波长为1.55μm的量子阱激光器，更是人们感兴趣的器件，并开展了众多的研究工作。一种利用改进的液相外延工艺制成1.55μm InGaAsP／InP MQW注入式激光器，器件由4个InGaAsP量子阱和3个InP势垒层构成，InP作覆盖层，其脊形波导结构的MQW激光器的室温阈值电流为60mA，随温度变化很小。

除了上述晶格匹配的长、短波长量子阱激光器外，近几年还采用量子阱材料研制了可见光半导体激光器，中间波段半导体激光器，大功率激光器。面发光激光器．应变层超晶格量

子结构激光器等新型量子阱激光器。在630nm～650nm的红光半导体激光器中，目前认为最有前途的是InGaAlP量子阱可见光激光器，预计它可取代He-Ne激光器在信息处理中的应用。特别应当指出的是，人们利用量子阱结构，借助于量子阱激光器的低阈值、高特征温度的特点，研制了高功率激光输出的半导体锁相激光阵列，其室温下连续输出功率超过百瓦，脉冲输出高达百瓦、千瓦级。这些量子阱半导体激光器的研制成功，使得半导体激光器成为光纤通信、光传感、光盘、激光打印以及光计算技术的重要光源，也将成为未来能量光电子技术的重要器件，涉及材料加工、光泵系统等领域的重要应用。