第七章半导体量子阱激光器..
半导体技术中的量子阱技术
半导体技术中的量子阱技术随着信息技术的快速发展，半导体材料作为电子学领域的重要组成部分，也在不断地创新和完善。
其中，量子阱技术的出现，为半导体材料的性能提升和新应用的开发提供了新的可能。
一、量子阱技术的原理量子阱（quantum well）是指在两种不同材料之间形成的一种具有周期性势能的结构，在其中的电子表现出一些奇特的性质。
其原理可简单理解为，其“势垒”与“势峰”之间的能量差约为电子热运动时的能量，而电子在势峰处被限制在一个非常小的区域内，即量子点，形成了类似于能级的状态；这种状态又与周围材料的能带相接口，因此电子行为发生变化。
二、量子阱技术的优势相对于其他半导体材料，量子阱技术具有以下优势：1. 调节电子状态：量子阱在不同材料组合下，能够调节电子的状态，改变其带隙大小，从而改变半导体材料在不同波段的光学响应。
2. 减小电子束缚：与传统的材料不同，量子阱内的电子状态可以更容易地在纵向方向移动，有助于提高载流子的迁移率，减小电子束缚。
3. 更高的稳定性：量子阱技术制备的半导体材料具有更高的稳定性，能够在更长时间内保持特定的性能。
三、量子阱技术的应用随着量子阱技术的不断完善，其在以下领域中有着广泛的应用前景：1. 光电器件制造：量子阱技术可用于制备高效、小型化的光电器件，如激光器、LED等，为信息技术领域提供了更多可能。
2. 太阳能电池：利用量子阱技术制备的太阳能电池，可以提高其性能和效率，降低材料的成本和制备难度。
3. 生物医学：利用半导体材料制备的量子点和量子线，可用于生物医学成像技术中，实现高分辨率、低辐射的成像。
四、量子阱技术的研究进展目前，科学家们正在以各种方式继续研究量子阱技术的优势和应用。
例如：1. 使用先进的制备技术，如分子束外延、金属有机化学气相沉积等，制备更高质量、更精细的量子阱材料。
2. 引入新的导电材料、光学材料和化学键合技术，进一步优化量子阱结构和性能。
3. 应用量子场理论、量子力学等理论，实现量子阱结构的理论模拟和模拟计算，为精准设计和优化提供更多思路。
量子阱激光器的工作原理
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。
在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。
它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。
1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。
当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。
因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。
2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。
它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。
3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。
量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。
此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。
总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。
量子阱激光器的特点
量子阱激光器的特点概述量子阱激光器是一种基于量子力学原理的半导体激光器，具有许多优良的特性和应用前景。
本文将介绍量子阱激光器的结构、工作原理和特点，以及其在通信、雷达和生命科学等领域的应用。
结构量子阱激光器的结构由多个“量子阱”层构成，每一层都是由几个纳米级别的半导体材料交替排列而成。
这些材料的能隙被设计在激光器的工作波长处，使得只有在这个波长下才能发生吸收和辐射等光学过程，从而实现激光输出。
工作原理当一个电子进入量子阱层时，它被限制在非常小的空间中，这使得其自由度受到限制，并且其能量分裂为高能级和低能级。
当外加电压或光子刺激时，电子会跃迁到高能级态，随后在低能级态与辐射场相互作用而发射光子，从而实现激光辐射。
特点高效率量子阱激光器的外部效率非常高，能够将电子的能量转化为光的能量。
在实际的应用中，量子阱激光器的效率比传统的激光器高出几倍甚至几十倍。
窄线宽量子阱激光器能够产生非常窄的激光线宽，这意味着它可以通过光纤传输更多的信息。
同时，在激光通信和激光雷达等领域，其高精度定位和测量作用也得到广泛应用。
快速调制量子阱激光器响应时间比传统的激光器要短很多，能够在纳秒级别内实现快速开关和调制。
这使得其在高速通信和数据处理领域具有广泛的应用前景。
温度稳定性量子阱激光器比传统的激光器更加稳定，在宽范围的温度和电压条件下工作。
这使得其在大气物理、天文学和生命科学等领域中得到广泛应用。
应用通信量子阱激光器已经成为光通信系统中的重要组成部分，其窄线宽和高效率也使得其在光纤通信和无线光通信等领域具有重要应用前景。
雷达量子阱激光器在激光雷达测距、测速和遥感等应用中也具有广泛的应用前景。
尤其是在领域气象、地球科学和环境监测等领域，其高精度测量和定位作用十分重要。
生命科学量子阱激光器在生命科学领域中也有广泛的应用，例如生物诊断、分子光谱学、荧光成像等等。
由于其快速开关和高精度测量的特性，已经成为研究细胞和分子行为中不可或缺的工具。
量子阱激光器
单量子阱结构
基本概念
多量子阱和超晶格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。
EcA EgA EcB EvB EvA
E2 E1
斜跃迁量子级联激光器能带结构 示意图及P-I特性
结 语
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。
硕士研究生论文答辩
结构与特性
结构与特性
量子阱激光器具有以下特性：
1.改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长；
2.注入载流子能提供更高的增益，这使得Jth降低，而且Jth 随温度变化小，温度稳定性好；
3.注入的载流子大部分用来客服内部损耗，只要较少的注入 载流子就能有较高的效率，产生更大的功率，适用于制作大 功率激光器阵列； 4.量子阱激光器中，增益变化只引起较小的折射率改变，所 以光谱线窄，频率啁啾小； 5.由于价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此具有TE、 TM模式的选择控制性能； 6.微分增益系数高，能在更高的调制速率下工作，动态工作 特性好；
前景展望
量子级联激光器 （Quantum Cascade Laser）是一种新型半 导体激光器，它由数 报道
BELL LAB
J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)
半导体量子阱激光器
半导体量子阱激光器什么是量子阱量子阱（quantum well）是一种半导体结构，是指将两个能带较窄的半导体材料之间夹入一个能带较宽的材料而形成的材料结构。
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器是利用半导体异质结构储能的原理，将电能转化为光能的半导体光电器件。
量子阱激光器的主要部分是由一系列宽度为数个纳米量级的“量子阱”和宽度大约为1微米的背域构成。
当外加电压作用整个器件时，电子和空穴在“量子阱”内发生复合，从而发射出相干性很好的激光光子，光强度迅速地增强。
量子阱激光器的特点量子阱激光器采用的是半导体亚微米制造工艺，由于这种工艺存在一些优点，因此它也具有独特的性能。
输出效率高量子阱激光器具有输出效率高，输出功率大，并且发光波长锁定精度高等优点。
目前，半导体量子阱激光器已逐渐取代气体激光器、半导体激光器和半导体激光二极管，成为现在的主流激光器。
寿命长量子阱激光器寿命较长，保持持续较高的电光转换效率，使用寿命优于其他半导体激光器器件。
量子阱激光器的加工制造和更可靠的工程设计为半导体激光器的发展奠定了坚实的基础。
小型化量子阱激光器具有小型化的优点，因为它们由亚微米制造工艺制造而成，可以被集成到其他芯片中，这一点也可以使得芯片的体积变得更小。
波长可调节量子阱激光器波长可调节，可以进行多波长发射。
这种波长可变暴露了它在目标检测和应急救援系统中的应用。
量子阱激光器的应用量子阱激光器已经成为现代科技领域的重要组成部分。
它的应用范围非常广泛，如光通信系统、制造加工、医学检测等领域。
光通信系统量子阱激光器是进行光通信的关键设备之一，被广泛应用于通信、信息处理和数据存储。
随着物联网的发展，量子阱激光器在物联网应用领域也越来越广泛。
制造加工量子阱激光器的高功率和小型化特点，使得它可以激发大功率的光束，加热加工材料，成为高精度的工业生产设备。
医学检测量子阱激光器在医学检测领域也有着广泛的应用。
例如，用于检测医疗的光谱分析，这也为临床疾病医治提供了帮助。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器简介量子阱半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其核心结构是量子阱。
量子阱是一种在半导体材料中形成的人工结构，通过限制电子和空穴在垂直方向上的运动，可以实现能带的调控和载流子的局域化。
这样的结构使得量子阱半导体激光器具有优异的光学性能和应用前景。
工作原理量子阱半导体激光器利用电子和空穴复合放射出光子的原理来产生激光。
其工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.注入载流子：通过外加电压或注入电流，将电子和空穴注入到量子阱结构中。
这些载流子会在量子阱中进行运动并最终发生复合过程。
2.载流子局域化：由于量子阱结构的限制，载流子会在垂直方向上被局域化。
这种局域化效应使得载流子在水平方向上进行多次碰撞，并增加了载流子之间相互复合的机会。
3.载流子复合：在量子阱中，电子和空穴会通过自发辐射的方式发生复合。
这个过程中释放出的能量将以光子的形式辐射出来。
4.光放大：释放出的光子会在量子阱结构中来回反射，并被不断放大。
由于在激光器结构中引入了光反馈环境，使得其中一部分光子经过受激辐射过程而进一步增强，形成相干和定向性很好的激光输出。
结构设计量子阱半导体激光器的结构设计是实现其优异性能的关键。
一般情况下，其主要包括以下几个部分：1.量子阱层：量子阱层是激光器结构中最重要的组成部分。
通过选择不同材料、控制厚度和形状，可以实现对能带结构和载流子局域化效应的调控。
常用的材料包括GaN、InGaAs等。
2.波导层：波导层用于引导和限制激光波长在有效范围内传播。
通常采用高折射率材料与低折射率材料的结构，形成光波在其中传播的通道。
3.反射镜：反射镜用于增强激光的放大效果。
一般情况下，激光器结构中会包含两个反射镜，其中一个是高反射镜，用于将光子反射回波导层；另一个是输出镜，用于从激光器中输出部分光子。
4.电极：电极用于注入电流并控制载流子的注入和分布。
通过调节电极的设计和布局，可以实现对激光器性能的进一步优化。
Chapter7-量子阱激光器
帶间跃迁矩阵元
e * * ˆ puC d 3r H 'eh [ Fh A( r ) Fe ]rrj u V e 2m0 j unit cell
考虑到uV 和uC 在每 个unit cell 上是相 同的
e 1 ( 2m0 Vunit cell
* 3 ˆ u V e puC d r )[ Fh A(r) Fe ]rrjVunit cell
2 2 En ,n 1 (n 1/ 2) 2 me d w
(Note)
量子限制效应-带隙展宽
Ew (k x , k y , k z ) E g
3D
2 2 2 2 2 2 n n 2 z 2 z 2me d w 2mhhd w
量子限制效应带隙展宽的估算
1 E 2 d
2 2
接下来会陆续介绍括号所标项对增益的影响
量子阱激光器的光增益-(f -f ) 的影响
C V
(fC-fV) 的影响
量子阱激光器的光增益谱-(f -f )
c v
T=0 K (fc-fv)=1 反转情形
实空间
K空间
Fermi－Dirac 分布
量子阱激光器的光增益--0 K
在第1子帶内, 态密度是常数, fc-fv=1;
1 W ( r rj ) N
kBZ
e
ik ( r rj )
u( r rj ) u0 ( r rj )
( r ) j F ( rj )W ( r rj ) F ( r )u0 ( r )
电子波函最终写为:
(r ) e
ik xy r
u (r ) ( z )
量子阱特征现象—分立化吸收谱
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。
一、发展背景1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。
但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。
直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。
1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。
至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。
半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。
其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。
但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。
80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。
量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。
当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。
从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。
在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。
这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。
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。
其发展历程大概为：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(DBR)。
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为什么说GaAs/AlGaAs 异质结是最接近理想的二维 电子系统？
• 由于 GaAs/ AlGaAs 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 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 GaAs、AlGaAs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 AlGaAs 一侧，而电子被转移到窄能隙的 GaAs 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在低温下的迁移率。
超晶格多量子阱能带结构示意图
多量子阱和超晶格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。
EcA EgA EcB EvB EvA E2 E1 EgB E2 E1
7.5.1 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。
斜跃迁量子阱级联激光器能 带结构示意图及P-I特性
垂直跃迁量子阱级联激 光器部分导带图
量子阱激光器的突出优点：
（1）改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长
； （2）注入载流子能提供更高的增益，使得阈值电流降低，而 且阈值电流随温度变化小，温度温度性好； （3）注入载流子大部分用来克服内部损耗，只要较小的注入 载流子就能有高的效率，产生更大的功率，适于制作大功率激 光器阵列； （4）在量子阱激光器中，增益变化只引起较小的折射率改变 ，所以光谱线较窄，频率啁啾小。 （5）由于价带的轻重空穴带量子化能级分离，因此具有 TE,TM模式的选择控制性能； （6）微分增益系数高，能再更高的调制速率下工作，动态工 作特性好。
（1）低维超晶格——量子线、量子点激光器 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。
ρ （E） ρ （E） ρ （E）
E
E
E
态密度分布（量子阱、量子线、量子点）
பைடு நூலகம்
（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 。
∆Ec
∆Ev
多量子阱能带图
超晶格能带图
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
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。
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, GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结能获得的电子 迁移率已高达1×107cm2/ V· s 。