第七章半导体量子阱激光器.ppt

超晶格多量子阱能带结构示意图 多量子阱能带图 E2 E1 超晶格能带图 EcA EvA EcB EvB EgB EgA ?Ec ?Ev E2 E1 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。 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。 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。 为什么说GaAs/AlGaAs 异质结是最接近理想的二维电子系统？ 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 。 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。 （1）低维超晶格——量子线、量子点激光器 ρ（E） E E E ρ（E） ρ（E） 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。 态密度分布（量子阱、量子线、量子点） （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 。 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。