量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用

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半导体激光器发光原理及工作原理

半导体激光器发光原理及工作原理

半导体激光器发光原理及工作原理引言概述:半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。

它具有体积小、功耗低、效率高等优点,广泛应用于通信、医疗、工业等领域。

本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。

一、发光原理1.1 材料特性半导体激光器主要采用具有直接能隙的半导体材料,如GaAs、InP等。

这些材料具有较高的折射率和较小的能隙,能够实现电子和空穴的复合发光。

1.2 电子复合在半导体材料中,当电子从导带跃迁到价带时,会释放出能量,产生光子。

这种电子和空穴的复合过程是半导体激光器发光的基本原理。

1.3 量子阱结构为了提高发光效率,半导体激光器通常采用量子阱结构。

量子阱是由不同能带的材料层交替堆叠而成,能够限制电子和空穴在空间上的运动,从而增加复合发光的几率。

二、工作原理2.1 注入电流半导体激光器通过注入电流来激发电子和空穴的复合发光。

当外加正向偏压时,电子从N型区域注入到P型区域,与空穴复合产生光子。

2.2 泵浦机制半导体激光器的泵浦机制主要有电泵浦和光泵浦两种方式。

电泵浦是通过注入电流来激发发光,而光泵浦则是利用外界光源来激发发光。

2.3 光放大在半导体激光器中,光子在材料中的传播会受到吸收和散射的影响。

为了保持激光的强度,需要在激光器内部设置光放大区域,使光子得到增强。

三、半导体激光器的类型3.1 可见光激光器可见光激光器主要用于显示、照明等领域。

常见的可见光激光器有红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器等。

3.2 红外激光器红外激光器主要用于通信、医疗和工业等领域。

常见的红外激光器有半导体激光二极管和半导体激光放大器等。

3.3 高功率激光器高功率激光器主要用于激光切割、激光焊接等工业应用。

它具有较高的输出功率和较高的光束质量。

四、半导体激光器的应用4.1 光通信半导体激光器在光通信中起着重要的作用,可以实现高速、远距离的数据传输。

4.2 医疗应用半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等,具有精确控制和无创的特点。

半导体材料中的量子阱技术研究

半导体材料中的量子阱技术研究

半导体材料中的量子阱技术研究量子阱技术是一项重要的半导体研究领域,它在电子学和光电学方面的应用十分广泛。

量子阱技术的主要思想是利用半导体材料的电子能级结构,在一个二维的空间中形成一个量子阱,从而利用量子效应来改善半导体元件的电学和光学性能。

本文将介绍半导体材料中的量子阱技术研究的基本原理,以及在不同领域中的应用。

一、量子阱技术的基本原理量子阱技术最关键的部分是量子阱的形成。

它通常利用两种不同能带的半导体材料,比如硒化镉和锌硒化镉,或者砷化镓和铝砷化镓等。

这些材料之间存在着很大的晶格不匹配,使得它们在堆叠时形成一个二维空间。

在这个空间中,电子的运动将受到强烈的限制,因此它们的能级结构将与体材料不同。

具体来说,如果将体材料所对应的三维空间称作量子阱的壳层,那么在这个壳层中的电子将被限制在两个维度上,每个维度的运动将采取离散的能量取值。

这些能量被称作量子态。

量子阱内能够产生的电子和空穴的量子态是离散的,带有能量的阶梯状能态分布,近似于连续的谱带。

这些态之间的距离十分接近,因此使它们之间的电子跃迁变得容易。

由于电子简并态数目有限,因此电子在这样的结构中具有良好的约束性和选通性,因此能够得到改进的电学和光学性能。

二、应用领域1、光电子设备量子阱技术在光电子设备中应用最广,被广泛应用于半导体激光器、探测器、太赫兹器件、等离子体激光和LED等领域。

在半导体激光器中,量子阱允许电子和空穴发生更多的跃迁,并且跃迁的能量比体材料更稳定。

这样可以在激光发射时获得更窄的频率谱。

在探测器中,量子阱通过增加信噪比和响应速度来提高灵敏度。

在等离子体激光器中,量子阱材料具有更高的吸收能力和低于平均窄的峰值发射能量。

在美国飞机和导弹的被动红外检测器和定位系统中,量子阱探测器被广泛应用。

2、电子学器件量子阱技术在电子学器件中也有许多应用。

在场效应晶体管中,量子阱具有高的晶格一致性和低的摩擦电阻,因此可以用作管道而不断地去做成细的亚微米尺寸的器件。

半导体技术中的量子阱技术

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。

量子阱材料的原理与应用

量子阱材料的原理与应用

量子阱材料的原理与应用1. 引言量子力学是描述微观世界行为的理论框架,而量子阱材料则是基于量子力学原理设计和制备的一种特殊材料。

量子阱材料具有特殊的能带结构和限制粒子运动的特性,使其在光电子器件、半导体激光器、光电传感器等领域具有重要应用。

本文将探讨量子阱材料的原理和应用。

2. 量子阱材料的原理量子阱材料的原理基于量子力学的波粒二象性和能带理论。

在晶体结构中,量子阱材料是通过在晶体结构中引入不同能级的禁带,从而形成一维结构,限制了电子和空穴在垂直方向上的运动。

具体来说,量子阱材料通常是由两种不同禁带宽度的材料构成,其中夹在中间的材料禁带宽度较窄。

量子阱材料的原理可以通过能带图来解释。

在晶体结构中,离散的能带能量分布决定了材料的导电性和光学性质。

对于量子阱材料而言,由于夹在中间的材料禁带宽度较窄,形成了一种“阱”的结构,限制了电子和空穴在垂直方向的能量。

3. 量子阱材料的应用3.1 光电子器件量子阱材料在光电子器件中的应用广泛。

由于量子阱材料的特殊结构,能带宽度的限制使得材料在光电转换中具有较高的效率。

例如,光电二极管和太阳能电池中的量子阱材料可以提高能量转换效率。

此外,量子阱材料还可用于制备高亮度发光二极管和激光二极管,应用于显示和光通信领域。

3.2 半导体激光器半导体激光器是利用正向偏压下的电流注入来产生激光辐射的器件。

量子阱材料的能带结构使得电子和空穴在垂直方向只能存在于特定的能级。

这种限制使得激光器在选择光子能量和频率时更加精确。

量子阱材料的应用使得激光器具有较低的阈值电流,高温稳定性和窄谱线宽等优点。

3.3 光电传感器量子阱材料在光电传感器中的应用也十分重要。

光电传感器是将光信号转换为电信号的器件。

量子阱材料的特殊能带结构和能带宽度调控的优势,使得光电传感器具有高灵敏度、快速响应和较低的功耗。

这使得光电传感器在光通信、光纤传感和生物医学等领域有广泛应用。

4. 总结量子阱材料是基于量子力学原理设计和制备的一种特殊材料,具有特殊的能带结构和限制粒子运动的特性。

半导体激光器的原理及应用论文

半导体激光器的原理及应用论文

半导体激光器的原理及应用论文半导体激光器是使用半导体材料作为激光活性介质的激光器。

其工作原理主要是通过半导体材料中的电子与空穴的复合过程产生光辐射,然后通过光放大与反射来形成激光输出。

半导体激光器具有小体积、高效率、快速调谐和易集成等特点,广泛应用于光通信、激光雷达、光储存等领域。

半导体激光器的基本结构包括激活区、pn结以及光反射与光增强结构。

激活区是半导体材料的核心部分,通过电流注入产生电子空穴复合过程来产生光辐射。

pn结是半导体激光器的结电阻,通过透明导电薄膜使电流从n区流入p区,进而在激活区形成电子空穴复合。

光反射与光增强结构包括反射镜和波导,用于增加激光器输出的光强度与方向性。

半导体激光器具有广泛的应用领域。

在光通信领域,半导体激光器被广泛用于光纤通信和光纤传感器系统。

半导体激光器通过调制光信号,可以实现高速传输,并且具有高能效和稳定性。

在激光雷达领域,半导体激光器用于提供高亮度、窄线宽和快速调谐的激光源,用于实现高分辨率的距离测量和目标识别。

在光储存领域,半导体激光器用于光盘、蓝光光盘等储存介质的读写操作,具有高速、高信噪比和长寿命等特点。

近年来,半导体激光器的研究重点主要是提高其性能和功能。

例如,通过调制技术可以实现高速调制,将半导体激光器应用于光通信的需要;通过外腔技术可以实现单纵模输出,提高激光的空间一致性和色散特性,扩展其应用领域;通过量子阱技术可以实现更高的量子效率和辐射效率,提高激光器的功率和效能。

总之,半导体激光器作为一种重要的激光器件,在光通信、激光雷达、光储存等领域具有广泛的应用前景。

随着相关技术的不断发展与进步,半导体激光器的性能与功能将得到进一步的提升,为相关领域的应用带来更多的机遇和挑战。

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

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。

量子阱的原理及应用

量子阱的原理及应用

量子阱的原理及应用1. 什么是量子阱?量子阱是一种半导体结构,它能够在三维空间中限制电子和空穴的运动。

具体来说,它通过在两个高能障垒中夹杂一个较低能障垒,形成一个能级阱,用于限制电子和空穴的运动。

量子阱通常是由不同禁带宽度的半导体材料组成的。

这种结构使得电子在一个维度上受限,从而限制了它们的能量和动量。

2. 量子阱的原理量子阱的原理可以通过量子力学的基本原理来解释。

根据量子力学的波粒二象性,电子和空穴在量子阱中被限制在一个较小的空间范围内,并且它们的能级是量子化的,也就是离散的。

这个空间范围由高能障垒和低能障垒的宽度决定。

当电子或空穴尺寸接近量子阱的尺寸时,它们只能处于量子态,而无法处于经典的连续态。

3. 量子阱的应用量子阱的限制特性使得它在许多领域有着广泛的应用。

3.1 光电子学量子阱在光电子学中有着重要的应用。

由于电子在量子阱中的能级是量子化的,因此可以通过控制量子阱的结构来调整电子能级的间距。

这样就可以实现电子在不同能级间的跃迁,从而实现光的发射和吸收。

这种特性使得量子阱被应用于激光器、光电探测器等光学器件中。

3.2 量子计算量子阱也在量子计算领域发挥重要作用。

量子计算是一种基于量子力学原理的计算方法,可以在某些任务上比传统计算机更高效。

量子阱的量子特性使得它成为构建量子比特的理想平台之一。

通过在量子阱中控制电子的能级和自旋,可以实现量子比特的初始化、操作和读取,从而构建量子计算机的基本元件。

3.3 光子晶体量子阱还被应用于光子晶体的制备中。

光子晶体是一种具有周期性结构的材料,可以对光的传播进行控制。

量子阱的精确控制能使光子晶体具有特定的光学特性,例如禁带、光子带隙等。

这种特性使得光子晶体在光学通信、光学传感等领域具有广泛的应用前景。

4. 总结量子阱是一种通过限制电子和空穴运动的半导体结构。

它的原理基于量子力学的波粒二象性,通过在空间中形成垒障来限制能量和动量。

量子阱在光电子学、量子计算和光子晶体等领域都有着重要的应用。

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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2:2、 量子阱及量子阱材料的能带结构图1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)2/()(*//222m k k E y x xy += ,其中x k 、y k 分别为电子在x 和y 方向上的波矢,//*m 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2z n z n E E ∝=(n z =1,2,3,…)。

所以,电子的总能量E为:xy z E E E +=,即由于xy E 的作用,相当于把能级n E 展宽为能带,称为子能带。

即材料能带沿z k 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 ))。

图3 (a)量子阱导带和价带中子能带沿//k 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)(E ρ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,能带的变化导致以下结果:(1)带电子与重空穴和轻空穴复合分别产生TE 模与TM 模,重空穴带与轻空穴带在带顶处简并解除加剧了TE 模与TM 模的非对称性。

(2)不象体材料抛物线能带中载流子必须从接近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//k 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)。

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Eg 图4(a ) 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 ),右边是渐折射率E 图5 多量子阱禁带宽度及折射率随厚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a o ,垒层晶格常数为a s ,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 //=a s ,为保持晶胞体积不变,在z 方向上,阱层材料晶格常数变为⊥a 。

若a //=a s <a o <⊥a ,则阱层内产生压应变(compressive strain )若a //=a s >a o >⊥a ,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。

(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)。

(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。

//k Γ ⊥k //k Γ ⊥k //k Γ ⊥k (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(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⊥k 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//k 方向上的有效质量比沿⊥k 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//k 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。

(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。

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