2022年2022年量子阱半导体激光器简述 .pdf
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1、上海大学2016 2017 学年秋 季学期研究生课程考试(论文)课程名称:半导体材料(Semiconductor Materials)课程编号:101101911论文题目:量子阱及量子阱半导体激光器简述研究生姓名:陈卓学 号:16722180 论文评语:(选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处)任课教师:张兆春评阅日期:课程考核成绩考核内容文献阅读、讲述与课堂讨论小论文比例7030成绩总评成绩名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 15 页 -量子阱及量子阱半导体激光器简述陈卓(上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系,上海200444)摘要:本文接续课堂所讲的
2、半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究,包括阱层设计优化、外部环境的影响(粒子辐射)、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。关键词:量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 15 页 -一、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1,它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。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,其各方面的性能也进一步得到改
3、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。2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。3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
4、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
5、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。二、量子阱的结构与特性1、态密度、量子尺寸效应与能带量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于 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。1970年首次在 GaAs 半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类:成分超晶格和
6、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和图。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 15 页 -图 1.理想超晶格空间结构图2.超晶格材料能带分布图要想弄清量子阱激光器的工作原理,必须对其结构、量子化能态、态密度分布等作深入的了解,从而弄清量子尺寸效应、粒子数反转等量子阱以及激光器工作的条件。5半导体材料中,当其吸收光子产生电子-空穴对或其电子-空穴对复合发射出光子时,都会涉及载流子跃迁的能态及载流子浓度。载流子的浓度是由半导体材料的态密度和费米能级所决定的,前者表征不同能态的数量的多少,后者表征载流子在具体能级上的占有几率。在半导体的体材料中,导带
7、中电子的态密度可以表达为,(1)式中 me*为电子的有效质量,h 为普朗克常数,E 为电子的能量。由此可见,体材料中的能态密度同能量呈抛物线的关系。在量子阱中,设 x 方向垂直势阱层,则势阱中的电子在y-z 平面上作自由运动(与体材料相同),而在 x 方向上要受两边势垒的限制。假定势阱层的厚度为Lx,其热势垒高度为无穷大,则量子效应使得波矢kx取分立数值:,(2)式中的 m=1,2,3,是不为零的正整数。对应的能量本征值Em只能取一系列的分立值,第 m 个能级的能量 Emc为,(3)式中 mem*为导带中第 m 个能级上电子的有效质量。m=1时,E1c为导带第一个能级的能量。因此,电子能量小于
8、E1c的能态不复存在,只有那些大于E1c的能态才会存在。对应于E1c量子态的态密度为.(4)依此类推,对于其他量子态Emc也有相应的态密度表达式,因此量子阱中导带的总体态密度为,(5)2/12/3c)2(4)(EhmEexLmxk2*22x*2)(2hk2hExememmcLmmm)()()(1211cxecEEHLhmE)(1d12mcmemxEEHmLhEE)(名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 15 页 -式中 mem*为第 m 个能级上电子的有效质量,H(E-Emc)为 Heaviside 函数,其表达式为(6)从该式可以看出,导带中的电子的态密度呈阶梯状。同
9、样地,我们也可以用类似的方式表达价带中空穴的态密度。由于价带通常是简并的,同时存在有重空穴带和轻空穴带,其有效质量分别以mhh*和 mlh*表示。6又有量子阱中电子的运动服从薛定谔方程。如前文分析,在y-z 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,相应的能量表达式为,(7)其中 ky、kz分别为电子在 y 和 z 方向上的波矢,m/*是电子 y-z 平面上的有效质量。在 x 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,即2xxxnEE(nx,2,3,).(8)所以,电子的总能量为:E=Ex+Eyz,即由于 Eyz的作用,相当于把能级En展宽为能带,称
10、为子能带。即材料能带沿 kx方向分裂为许多子能带(图 4(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 4(b)。由图 4(b)可以看出,尽管量子阱中的电子和空穴态密度为阶梯状,其包络线依然是抛物线。在该图中还可以看到多个子带,对于第一个子带来说,其态密度都是一个常数。正是载流子二维运动的这种特性有效地改变了其能态密度和载流子的分布,因而有效地改进了量子阱中载流子的辐射复合效率。01)mcEH(E,mcmcEEEE)2/()(*/222yzmkkEzyLH Electron)(EE HH nx=3 nx=2 nx=1 nx=1 nx=2 nx=3 Eg-qEg-bHH1HL1
11、HH2k/E HH3名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 15 页 -(a)(b)图 4.(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)对比图:量子阱中能带分裂为子能带(n1,2,),Eg-b与 Eg-q为分裂前后禁带宽度,且Eg-bEg-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
12、致,这使得价带的能态密度分布并不像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。2、粒子数反转半导体激光二极管是通过p-n 结注入载流子实现粒子数反转的。将电流通过p-n结注入到有源区,使其导带底附近的电子浓度和价带顶附近的空穴浓度远远大于平衡态时的浓度,从而实现粒子数反转。在平衡态时,我们通常用费米能级F来描述电子和空穴的分布状态。当外加电压注入电流时,可以采用 n 区和 p 区的准费米能级 Fn和 Fp来描述电子和空穴在能级E 上的占有情况,在能量为 E 处的
13、电子和空穴的占据几率分别为,(9),(10)有源区中总的自由载流子电子和空穴的浓度分别为,(11).(12)事实上,总的自由载流子浓度应当等于平衡时载流子浓度同注入载流子浓度之和,即n=n0+n,p=p0+p。注入载流子的浓度n和 p大于平衡载流子浓度1/exp1)(KTFEEfnn1/exp11)(KTFEEfnpEEEfnd()(nn)dEEEfp)()(pp名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 15 页 -才可能实现粒子数反转,即 nn0,p p0。注入的电流的密度决定准费米能级的位置,因而也决定了电子和空穴的准费米能级间距Fn-Fp的大小。在体材料中,要想实现粒
14、子数反转,n 区和 p 区的准费米能级差必须大于禁带宽度:.(13)在量子阱中,带隙不再是原来体材料的带隙Eg,而应当以 Eg1代之,即,(14)则得到量子阱中粒子数反转的条件为.(15)进一步推广至量子阱中各能级,可以得出量子阱结构受激发射必须满足的条件7为.(16)3、单量子阱(SQW)和多量子阱(MQW)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5 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
15、变的(如图 5(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)。图 5.(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),右边是渐变型(grated index)(对应带隙渐变)MQW 有由多个窄带隙和宽带隙超薄层交替生长而成,在两边最外的势垒层之后再生长底折射率的波导层以限制光子,这等效于加厚了有源层,使激光器的远场特性有大幅度改善,其原理如图6 所示。gEFFpnvcg1EEE11vcgpnEEEFF1111nvmegm npnEEEFFEg厚度图 5(a)grated index
16、 GRINSCH-SQW Step-index SCH-SQW 折射率图 5(b)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页,共 15 页 -图 6.多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布4、应变量子阱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
17、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 7 所示,设结平面为x-y 平面,晶体生长方向为z 方向,阱层晶格常数为 ao,垒层晶格常数为 as,当在垒层上生长出很薄的阱层材料时,在 x-y 平面内,阱层材料的晶格常数变为a/=as,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/=asaoaoa,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。图 7.晶格失配引起的应变(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8)。折射率厚度E阱垒波导图 5 多量子阱禁带宽
18、度及折射率随厚ao asaa/Z()/Energy Egcb lh so hh/kk/kk/kk(a)unstrained(b)under biaxial compression(c)under biaxialtension 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页,共 15 页 -图 8.(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(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 h10,h20)。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。(b)更重要的是,应变的轴
19、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 Eg。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h=E1c-E1vEg,即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地,其发射波长=1.24/(E1c-E1v)小于 Eg所对应的波长 g,即出现了波长蓝移。其次,量子阱激光器中,辐射复合主要发生在E1c和 E1v之间,这是两个能级之间电子和空穴参与的复合,不同于导带底附近和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复合,因而量子阱激光器的光谱的线宽明显地变窄了。第三,在量子阱激光器中,由于势阱宽度 Lx通常小于
20、电子和空穴的扩散长度Lc和 Lh,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,其增益大为提高,甚至可高达两个数量级。此外,还有一个十分有趣的物理现象,即在量子阱结构中,注入载流子通过同声子的相互作用,使较高阶梯能态上的电子或空穴转移到较低能态上,从而出现“声子协助受激辐射”。可见,声子协助载流子跃迁是量子结构的一个重要特性。如果量子阱数为 m,条型宽率为 W,腔长为 L,那么量子阱激光器的阈值电流为.(17)式中 1为垂直方向的光学限制因子,也即此前所描述的光学限制因子,而 2为平行于结平面的光学限制因子,它计入了窄条宽度的影响。由于条宽有限,光场在
21、横向上会扩展至条外。分析可得,阈电流等于Jth同结面积 WL 的乘积。量子阱激光器的 Jth可降至 100A/cm2。条宽通常为 2m 或更窄,如果腔长 L1m,则 Ith仅为微安量级。这种腔长仅为 m 量级的激光器便是现今人们正在热心研究的微腔激光器。众所周知,半导体器件对温度十分灵敏,其特性常常因温度升高而变坏。在激光器中,Ith=Ithoexp(T/T0),T0为特征温度,它越大则器件性能越稳定。对于 AlGaAs 激光器,T0通常为 120K,而 AlGaAs 量子阱激光器的 T0通常高于 160K,甚至有的高达300K。对于 InGaAsP 激光器,由于其价带的俄歇复合效应,使得电流
22、泄漏较大,通常T050K。而采用量子阱结构之后,其T0可达 150K 甚至更高。因而量子阱使 InGaAsP激光器的温度稳定性大为改善,这21i210th1ln211exp)A(0RRLamJIimWLJ名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页,共 15 页 -在光纤通信等应用中至关重要。四、半导体量子阱激光器相关研究举例1、小发散角量子阱激光器半导体激光器的快轴方向发散角度由外延层的结构决定,确切地说是由波导模式确定,而波导模式又主要由波导的折射率构型决定。在降低量子阱激光垂直发散角方面,已有一些研究机构进行了尝试,研制出采用大光腔、非对称包层、非对称脊波导等结构来减小发散
23、角 11-15。在大功率情况下,目前存在的极窄波导、宽波导、模式扩展波导等结构方法,可将 LD垂直方向的发散角降低到20左右,但这时宽波导结构需要把波导层加厚到3m 左右,这在工艺实现上存在一定困难 16-17。李雅静 18 等使用三层平板波导理论分析了半导体量子阱激光器远场分布。针对大功率激光器讨论了极窄和模式扩展波导结构方法减小垂直方向远场发散角,得到了极窄波导结构量子阱激光器远场分布的简化模型,获得了垂直发散角的理论值;使用传输矩阵方法模拟了模式扩展波导结构量子阱激光器的近场光斑及远场分布,获得垂直方向远场发散角的减小值。实验测试了极窄和模式扩展波导结构量子阱激光器的垂直发散角,理论结果
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