量子阱
西南交通大学
固体物理课程技术报告
量子阱半导体激光器的介绍及应用
年级: 2009级
学号: 09041124
姓名: 李慧
专业: 通信与信息系统
老师: 潘炜教授
摘要：本文从光子技术的发展入手，首先了介绍了半导体激光器的研究现状及前景，并阐述什么是半导体激光器和量子阱。讲述了半导体激光器的工作原理及优缺点，以及量子阱在半导体中应用——量子阱半导体激光器。
关键词：半导体激光器，量子阱，InGaAs
一、引言
随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术的应用领域及前景越来越广阔。在要求极高数据处理速率的一些应用领域,光子器件正逐步取代电子器件得到有效的应用。可以预见,不久的将来光子器件及光子集成线路的重要性不亚于集成电路在当今的地位及作用。近几年来, 半导体激光器, 特别是量子阱激光器和量子点激光器发展迅猛，为了得到阈值电流低、量子效率高、室温工作、短波长、长寿命和光束质量好等高性能的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术[1]。半导体激光器(LD) 特别是量子阱半导体激光器(QWLD) 是光通信和光互连中重要的光源[3]。
为了获得更高的功率，方法之一就是使用宽波导结构，与传统的窄波导结构相比，宽波导结构有很多优势。宽波导结构可以增加横摸宽度，从而导致在一个大的范围内光强有效分布，减少了端面强度，因此输出功率更大[2]。
半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。超宽带激光器可在6-8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。
二、半导体激光器的原理及优缺点
半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:
（1）增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-n结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。
（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在
半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。
半导体激光器是一种非常方便的光源，具备紧凑、耐用、便携和强大等特点。然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。相比之下，超宽带激光器具有显著的优势，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。制造出可在范围广泛的操作环境下可靠运行的超宽带激光器正是科学家们长久以来追求的一个目标[5]。
三、什么是量子阱
量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状[3]。
四、InGaAs量子阱激光器的介绍及应用
衬底出光的InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应变量子阱组成, InGaAs 量子阱宽为8nm , GaAs 势垒宽为10 nm1 三个量子阱被上、下AlG aAs限制层包围构成为一个波长的谐振腔。上下两个分布布喇格反射镜为四分之一波长的GaAs和AlGaAs周期结构组成。其中p 型反射镜为38. 5周期(掺杂C ,浓度为3×1018) ,n 型反射镜为28. 5周期(掺杂Si ,浓度为 3 ×1018cm- 3) 1N 型反射镜的对数比p型反射镜对数少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形成衬底出光型器件。在p 型分布布喇格反射镜与有源区之间加入一层高Al组分的Al0198G a0102 As层,厚度为30 nm ,此层在器件的工艺过程中将被氧化为AlxOy 绝缘层,起到电流限制作用,形成电流注入窗口。器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在n -G aAs衬底(掺杂Si ,浓度为3×1018cm- 3)上外延生长获得。
工艺过程中,采用化学湿法腐蚀法,腐蚀出直径为350μm的圆形台, 腐蚀深度
以露出Al
98
.0Ga
02
.0
As层为宜，之后把器件置于高温(420℃)湿氮环境下对
Al
98
.0Ga
02
.0
As 层进行氧化处理,转化为Al xOy 绝缘层,形成300μm直径的电
流注入窗口，对注入器件的电流起到限制作用。之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处理，减薄到大约150μm左右，以减少衬底对器件的串联电阻的贡献1P型分布布拉格反射镜侧做大面积的Ti-Pt-Au 金属接触。在n型G aAs衬底上蒸发制作Si/ SiO2增透膜膜系，以提高输出光功率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底侧的n型金属接触层。最后由快速热退火炉进行合金退火处理。整个器件结构由In焊料( In焊料为软焊料,可以减少封装过程中引入到外延片的应力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装。并对器件特性进行测试[4]。
四、小结
通过上文的学习，我们了解到量子阱的构造，半导体激光器的优点及不足，两者结合的产物——量子阱半导体激光器的原理尤其是InGaAs量子阱半导体激光器的构造与设计。典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。由于量子阱垂直腔面激光器的输出光不再在沿着腔面方向，从而更有利于对输出光的接收。但也存在一些缺点，如输出光为椭圆偏振光，因此不适合在保偏系统中应用。
参考文献
1 王绍民，赵道木，吕章德，周国泉，黄富泉，徐锦心.量子阱半导体激光器的光束质量
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2 Fang Gaozhan, Xiao Jianwei, Ma Xiaoyu, Feng Xiaoming, Wang Xiaowei, L iu
Yuanyuan,Liu Bin,Tan Manqing and Lan Yongsheng. High Power 808nm AlGaAs/GaAs Quantum Well Laser Diodes with Broad Waveguide[J].半导体学报，2002,23(8):809~812 ,
3 毛陆虹,郭维廉,陈弘达,吴荣汉.量子阱半导体激光器调制特性和噪声的电路模拟[J].通
信学报,2001,22(1):38~42
4晏长岭,宁永强,秦莉,张淑敏,赵路民.高功率InGaAs量子阱垂直腔面发射激光器的研制[J].2004,33(9):1029~1031
量子阱原理及应用
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态 和其他元激发过程以及它们之间 的相互作用，与三维体状材料中的 情况有很大差别。在具有二维自由 度的量子阱中，电子和空穴的态密 度与能量的关系为台阶形状。而不 是象三维体材料那样的抛物线形 状[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
量子阱红外探测器(QWIP)调研报告
量子阱红外探测器（QWIP）调研报告 信息战略中心（2007.07.12） 引言 (2) 1、量子阱红外探测器的原理 (3) 1.1量子阱红外探测器基本原理简介 (3) 1.2QWIP的几种跃迁模式 (4) 1.3量子阱结构的选择 (6) 1.4QWIP的材料选择 (7) 1.5入射光的耦合 (9) 1.6QWIP的性能参数 (11) 1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] (12) 1.8QWIP的抗辐射机理与方法 (13) 参考文献： (17) 2、量子阱红外探测器的制备方法 (19) 2.1直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 (19) 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 (22) 3.1红外探测器分类 (22) 3.2红外探测器发展历程 (23) 3.3红外探测器基本性能参数 (23) 3.4各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 (25) 3.5红外成像系统的完整结构 (26) 3.5.1 焦平面结构 (27) 3.5.2 读出电路 (27) 3.6QWIP探测器实例分析 (29) 3.7QWIP的应用领域及前景分析 (31) 参考文献： (33)
引言 半导体量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是当今材料科学研究的前沿课题，被比喻为实验中的建筑学，即以原子为最小砌块的微观建筑学。它所产生的人工晶体，其性质可人为改变控制，它比通常意义上的晶体材料具有巨大的优越性和发展前景。它的一个极有前途、极为重要的应用领域是新型红外探测器，即第三代红外焦平面量子阱探测器。量子阱新材料是发展新型红外探测器的先导。 红外焦平面探测器是从单元和线阵基础上发展起来的第三代红外探测器，它标志着热像技术已从“光机扫描”跃进到“凝视”这个高台阶，从而使热像系统的灵敏度、可靠性、功能容量及实时性等都获得无以伦比的瞩目进步。众所周知，探测器是决定红外系统属性的主要矛盾，基于红外焦平面探测器的问世，它与信号读出处理电路一体化的成功，以及长寿命闭环斯特林致冷器的实用化，使红外焦平面探测器在以下重要领域得到重要应用或正在考虑其应用： ①空间制导武器。如用焦平面探测器导引头拦截卫星； ②红外预警卫星及机载红外预警系统； ③巡航导弹、地地导弹、空地导弹、防空导弹、海防导弹及反舰导弹的红外制导系统的基本组成； ④地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索，跟踪系统； ⑤小型导弹制导及夜间瞄准； ④坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪等。 红外焦平面探测器早期实用的是Pbs，现在的重点是碲镉汞，Si：Pt及半导体量子阱焦平面探测器。其中半导体量子阱焦平面探测器，在五年内接近走完了碲镉汞(MCT)探测器30年的历程，现在虽然在探测度指标上还不如MCT，但经过进一步的攀登，这种完全靠科学家、计算机的，由MBE或MOCND技术制造的新一代焦平面器件可能成为现代国防的复眼。无疑，今后哪个国家能抢占这个高地，这将在各国国防力量的对比方面产生重要的影响。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器 ：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)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
InGaAsSb-AlGaAsSb量子阱结构及光谱分析
目录 摘要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................ II 第一章绪论 . (1) 1.1 引言 (1) 1.2 半导体激光器研究进展概述 (2) 1.3 锑化物激光器发展概况 (4) 1.4 本论文的主要研究内容 (6) 第二章实验及材料测试原理 (8) 2.1 分子束外延技术及材料的生长工艺流程 (8) 2.2 半导体材料电学测试技术 (12) 2.3 X射线双晶衍射测试技术 (14) 2.4 光致发光测试技术 (16) 第三章GaSb材料MBE生长及掺杂特性研究 (19) 3.1 引言 (19) 3.2 GaSb薄膜材料的MBE生长实验 (20) 3.3 GaSb材料特性及N型和P型GaSb材料掺杂 (20) 3.4 本章小结 (24) 第四章Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器材料外延生长研究 (25) 4.1 AlGaAsSb、InGaAsSb四元合金材料特性 (25) 4.2 InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱有源区组分调控 (26) 4.3 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器结构制备及特性 (30) 4.4 本章小结 (34) 第五章Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件制作及器件性能研究 (35) 5.1 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件制作 (35) 5.2 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件性能 (37) 5.3本章小结 (38) 第六章结论 (39) 致谢 (40) 参考文献 (41) 硕士期间发表文章 (44)
一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器-Fudan
一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器 王晗1,2，李世龙1，甄红楼1，李梦瑶1,2，聂晓飞1,2，黄高山3，梅永丰3*，陆卫1* (1.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083； 2.中国科学院大学，北京100049； 3.复旦大学材料科学系，上海200433) 摘要：基于传统的光刻和化学湿法腐蚀工艺，通过卷曲技术，提出一种三维管状量子阱红外探测器。该管状器件相比于未卷曲的平面器件，在垂直入射光照下，展现了优良的暗电流、黑体响应和光电流响应率特性曲线。当工作温度60 K，偏置电压0.45 V时，管状器件峰值响应率为20.6 mA/W，峰值波长3.62 μm，最大量子效率2.3%。从几何光学的角度分析了管状器件的垂直光吸收原理，进而揭示了一种特殊的光耦合方式。最后，进一步测试了不同角度入射光照射下的光电流响应率谱。由于微管的近似圆形对称性，器件具有很宽的视角，有助于红外探测系统的设计。 关键词：卷曲微管；红外探测器；量子阱；光耦合 中图法分类号：TN362 文献标示码：A 引言 量子阱红外探测器(quantum well infrared photodetector, QWIP)作为20世纪90年代发展起来的第三代红外探测器，具有材料生长工艺成熟、器件均匀性好、光响应速度快及波长连续可调等优点[1-2]，在国防、航空航天、天文观测和民用领域等有广阔的应用前景[3]。QWIP 基于量子阱的子带跃迁，即在吸收外界光子后电子从阱内的基态跃迁到第一激发态进而形成光电流来实现红外探测。由于量子阱的一维限制结构（电子在材料生长方向上受限），只有电场分量沿着量子阱生长方向的入射光才能被其吸收[4]。因此，QWIP存在着如何耦合外界光的问题。图1(a)为最简单的光耦合方式——布儒斯特角耦合[5]，器件响应和量子效率非常低；图1(b)为45o边耦合[6-7]，即入射光从器件边缘打磨出的45o斜面入射，这种方式不适用于大规模的焦平面阵列；此外，在器件表面制作出金属或介质光栅、随机发射层或波纹层后，器件可以实现光栅耦合[8-10]、随机反射耦合[11]或波纹耦合[12]，如图1(c)、1(d)和1(e)所示。由于QWIP的子带跃迁工作模式，其量子效率较带间跃迁红外探测器偏小。因此，为提高QWIP的量子效率，一些具有电磁共振效果的光耦合结构被广泛采用。图1(f)展示了一种光子晶体耦合结构[13]，它可以实现器件的窄带增强响应；图1(g)和1(h)分别为金属二维孔洞阵列耦合结构[14]和金属-绝缘体-金属微腔耦合结构[15]，同样可以提高器件的量子效率。值得指出的是，由于利用耦合结构的共振模式，这些QWIP只能实现窄带的响应增强。我们提出一种管状的量子阱红外探测器(tubular QWIP)，其无需额外的结构就能直接吸收垂直入射光，并具有宽视角和宽频率的响应特点[16]。 本工作介绍了三维管状量子阱红外探测器件的设计和制备，给出了该器件在60 K温度下的暗电流、黑体响应和光电流响应等电学测试结果，并从几何光学的角度理解了器件吸收垂直入射光的基本原理，最后探索了器件在不同入射角下的光电流谱。 ____________________________ 基金项目: 国家自然科学基金(51322201, 61575213), 上海市科学技术委员会(14JC1400200) Foundation items: Natural Science Foundation of China (51322201, 61575213), Shanghai Municipal Science and Technology Commission (14JC1400200) 作者简介(Biography):王晗(1986-), 男, 湖北随州人, 博士研究生, 主要研究领域为三维量子阱红外探测器. E-mail:
量子阱半导体激光器简述
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
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
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。 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。
量子阱红外探测器QWIP调研报告.doc
量子阱红外探测器（ QWIP ）调研报告 信息战略中心（） 引言 ............................................................................................... 错误 ! 未定义书签。 1、量子阱红外探测器的原理 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。 量子阱红外探测器基本原理简介 .......................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 的几种跃迁模式 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。量子阱结构的选择 .................................................................. 错误 ! 未定义书签。QWIP 的材料选择 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。 入射光的耦合 ......................................................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 的性能参数 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。 量子阱周期数对器件性能的影响 [9] ................................. 错误 ! 未定义书签。 QWIP 的抗辐射机理与方法 .................................................. 错误 ! 未定义书签。参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。 2、量子阱红外探测器的制备方法 ............................................. 错误 ! 未定义书签。 直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 ...................... 错误 ! 未定义书签。 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 ................................. 错误 ! 未定义书签。 红外探测器分类 ...................................................................... 错误 ! 未定义书签。 红外探测器发展历程 .............................................................. 错误 ! 未定义书签。 红外探测器基本性能参数 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。 各种焦平面阵列（ FPA ）的性能比较 .................................. 错误 ! 未定义书签。 S 红外成像系统的完整结构 ...................................................... 错误 ! 未定义书签。 焦平面结构 ........................................................................... 错误 ! 未定义书签。 读出电路 ............................................................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 探测器实例分析 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。 QWIP 的应用领域及前景分析 .............................................. 错误 ! 未定义书签。参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
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
量子阱红外探测器QWIP调研报告
量子阱红外探测器Q W I P 调研报告 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】
量子阱红外探测器（Q W I P）调研报告 信息战略中心 引言 ............................................................................................................................................. 1、量子阱红外探测器的原理................................................................................................ 量子阱红外探测器基本原理简介........................................................................................ QWIP的几种跃迁模式........................................................................................................... 量子阱结构的选择 ................................................................................................................... QWIP的材料选择 .................................................................................................................... 入射光的耦合............................................................................................................................ QWIP的性能参数 .................................................................................................................... 量子阱周期数对器件性能的影响[9] ............................................................................... QWIP的抗辐射机理与方法................................................................................................. 参考文献：.................................................................................................................................. 2、量子阱红外探测器的制备方法....................................................................................... 直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 ................................................................. 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用.......................................................................... 红外探测器分类........................................................................................................................ 红外探测器发展历程............................................................................................................... 红外探测器基本性能参数..................................................................................................... 各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 ..............................................................................
关于量子阱器件的发展及其应用
关于量子阱器件的发展及其应用 1引言 量子阱件，即指采用量子阱材作为有源区的光电器件，材料生长一般是采用MOCVD外廷技术。这种器件的特就在于它的量子阱有源区具有准维特性和量子尺寸应。二维电子空穴的态密度是阶状分布，量子尺寸效应决定了子空穴不再连续分布而是集占据着量子化第一子能级，益谱半宽大为降低、且价带上轻重穴的简并被解除，价带间的吸降低。 2量子阱器件基本原理 2.1量子基本原理[1] 半导体超晶格是指由替生长两种半导体材料薄层组成的维周期性结构.以GaAs／AlAs半导体晶格的结构为例:半绝缘GaAs衬底沿[001]方向外延生500nm左右的GaAs薄层，而交替生厚度为几埃至几百埃的AlAs薄层。这两者共同构成了一多层薄膜结构。GaAs的晶格常数为0.56351nm，AlAs的晶格常数为0.56622nm。由于AlAs的禁带宽度比GaAs的大，AlAs层中的电子和空穴将进入两的GaAs层，“落入”GaAs材料的导带底，只要GaAs层不是太薄，电将被约束在导带底部，且被阱壁不断反射。换句话说，于GaAs的禁带宽度小于AlAs 的禁带宽度，只要GaAs层厚度小量子尺度，那么就如同一口阱在“引”着载流子，无处在其中的载流子的运动径怎样，都必须越一个势垒，由于GaAs层厚度为量子尺，我们将这种势阱称为量子. 当GaAs和AlAs沿Z向交替生长时，图2描了超晶格多层薄膜结构
与应的的周期势场。其中a表示AlAs薄层厚度，b表示薄层厚度。如果势垒宽度较大，使得两个相邻阱中的电子波函数互不重叠，么就此形成的量子阱是相互独立的，这就是多量子。多量子阱的光学性与单量子阱的相同，而强度是单量子阱的线性迭加。另方面，如果两个相邻的量子阱间距近，那么其中的电子态将发耦合，能级将分裂带，并称之为子能带而两个相邻的子能带 之间又存在能隙，为子能隙。通过人为控这些子能隙的宽度与子能带，使得半导体微结构现出多种多样的宏观性。 2.2量子阱器件[2] 量子阱器件基本结构是两块N型GaAs附于两端，而中间有一个层，这个薄层的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成，。 在未加偏压时，各个区的势能与中间的GaAs对应区域形成了一个势阱，故称为量子。电子的运动路径是从左边N型区入右边的N型区，中间必须通过AlGaAs层进入量子阱，后再穿透另一层AlGaAs。 量子阱器件虽是新近研制成功的器件，但已在很领域获得了应用，而且着制作水平的提高，它将获得更加广泛的应用3量子阱器件的用3.1量阱红外探测器[3] 量子阱红外测器20世纪90年代展起来的高新技术与其他红外技术相，QBE和MOCVD等先进工艺可生长出高品质大面积和均匀的量子阱材料，容易做出大面积的探测器列。正因为如此，子阱光探测器，尤其是红外探器受到了广泛关注。 QOCVD或MBE等复杂工艺，从而可能使衔部位晶体质量欠佳和器
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器的原理及应用 刘欣卓（06009406） （东南大学电子科学与工程学院南京 210096） 光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏 置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。 关键词：光电调制器；模拟偏置法；误差 High-speed Optical Modulator Bias Control LIU XinZhuo 2) (06009406) (1)Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096 Abstract: The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control is a proportional integral part of the output of the modulator bias. Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error 作者的个人学术信息： 刘欣卓，1991年，女，南京市。大学本科，电 子科学与工程学院。liuxinzhuo@https://www.docsj.com/doc/a212885410.html,. 1.量子阱半导体激光器的发展历程 1.1激光器研制的现状 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。 为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。 1. 2半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。 半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)
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)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。 二、基本理论 1、量子阱及其能带结构
GaAs_AlGaAs双量子阱结构的子带光学吸收
GaAs/AlGaAs双量子阱结构的子带光学吸收 伍滨和*,曹俊诚,夏冠群 (中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,上海200050) 摘要:利用微观运动方程计算了超快红外泵浦光引起的半导体双量子阱结构的子带间极化。基于自洽场理论,可以求出瞬态探测光吸收系数。这一方法没有采用稳态假设。计算了不同泵浦强度和泵浦探测延时的吸收系数。利用这一模型可以计算半导体微结构中的相干载流子的控制问题。 关键词:双量子阱;子带跃迁;光学吸收 中图分类号:O472+ 3;O481 3 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2004)03-0577-02 纳米尺度上的半导体结构的相干效应具有许多新颖的电学和光电子效应,比如Bloch振荡,相干载流子控制等[1]。这些低维半导体结构具有的独特性质来源于对电子运动的量子限制。在量子阱结构中,阱的导带在延着生长方向将会分离为数个子带。近年来,无论是从理论还是应用的角度,子带间跃迁都引起了极大的兴趣。多子带情形下的泵浦探测吸收问题往往采用稳态模型简化描述。包含两个导带子带的飞秒泵浦探测瞬态子带吸收实验结果已有报道。对于超快的过程,稳态假设并不适用。包含多子带的瞬态电子动力学研究十分必要。本文中,我们利用3个子带中电子的运动方程计算吸收谱。多电子的相互作用利用随机位相近似(random phase approximation)来处理。吸收谱可以通过Fourier变换得到。 1 计算结果 我们考虑一个n型掺杂的双量子阱结构,两个GaAs量子阱被宽度为1.13nm的AlGa As势垒隔开。两阱宽度分别是7.0和3.5nm。这一非对称设计是为了破坏对称性。使从第一子带到第三子带的跃迁满足对称性要求。本征能量和波函数可以在有效质量假设下,自洽求解Schrodinger方程和Poisson方程来得到。计算的最低的3个子带和半导体双量子阱结构如图1所示。 电子在半导体中的Hamilton量包括动能项和Coulomb相互作用项。当外加辐射场和电场时,电子和外场的相互作用也对总Hamilton量有贡献。所以电子总的Hamilton量是以上几项的和[2]。在旋波近似(rotating wave approximation)下,利用Heisenberg 运动方程可以推导出子带粒子数和子带极化所满足的方程[3]。方程中考虑了Coulomb相互作用,对于其他散射机制采用唯象去相时间近似。泵浦光耦合第一子带和第三子带,探测光耦合第 二 图1 双量子阱结构的导带子带波函数和能级(实线表示泵浦光耦合第一子带和第三子带,虚线表示探测光束) Fig.1 Calculated effective potential for double quantum well structure(solid thick arrow represents pumping pulse coupled to two subbands,E1and E3.The dashed thick arrow stands for probe light) 第28卷 第3期Vol.28 .3 稀 有 金 属 C HINE SE JOURNAL OF RARE ME TALS 2004年6月 June2004 收稿日期:2004-02-15;修订日期:2004-04-09 基金项目:国家重点自然科学基金(2001CCA02800),重大国家研究项目特别基金(G2*******)和上海市科技发展基金-光计划专项(011661075)资助项目 作者简介:伍滨和(1976-),男,重庆市石柱县人,博士研究生 *通讯联系人(E-mail:bhwu@mail.si https://www.docsj.com/doc/a212885410.html,)