话说量子点激光器
发布时间：2004-12-13 12:30:32 热度：5433
不支持该视频量子点激光器的由来
近年来半导体材料主要朝两个方向发展：一方面不断探索扩展新的半导体材料，即所谓材料工程；另一方面又逐步从高维到低维深入研究己知材料体系，这就是能带工程。
1970年美国IBM 公司的L. Esaki 和R. Tsu提出超晶格概念，由此引发二维量子阱材料的研究热潮。自从量子阱结构问世以来，各国科研人员进行了大量的理论研究工作以期能将基于量子机理的效应应用于半导体激光器领域，继而将兴趣投向了更低维度的量子线、量子点。1982年东京大学的Arakawa 和Sakaki通过理论计算指出量子点激光器的热稳定性要比传统的半导体激光器有很大的提升。1986年Asada通过理论计算预言量子点结构的阈值电流密度相比一维的量子阱结构将会有显著的降低，从而解决半导体激光器中阈值电流密度过大的问题。
80年代中期，随着半导体外延技术（如MOCVD、MBE等）的发展，对半导体薄膜材料实现精确控制生长己成为可能，获得了高质量的二维限制量子阱及超晶格材料。用这些二维限制异质结材料制成的光电器件，如激光器、探测器的性能得到迅猛的提高，并迅速进入市场，得到广泛的应用。二维量子阱材料带来的巨大成功促使实验研究人员继续在更多维度上对电子运动进行限制，开展了量子线及量子点的实验研究。
1994年N. Kirstaedter和N. N. Ledentsov报道了世界上第一只边发射的自组织量子点激光器。他们将单层InGaAS/GaAs自组织量子点插入梯度折射率分别限制异质结构量子阱激光器结构中，代替原来的量子阱充当有源介质，实现了77K 温度下120A/cm2 的低阈值电流密度。1994年以来，量子点激光器领域更是取得了突飞猛进的发展，其低阈值电流密度、优良的热稳定性等各种迷人的优点吸引了越来越多的实验室和科研单位进入到这个领域。
什么是理想量子点激光器
如果某种半导体晶体在三个空间维度上的尺寸大小均与载流子在该材料中的德布罗意波长或电子的平均自由程相当或更小，而同时该晶体又被禁带宽度更大的垒层材料所包围，这就构成了量子点结构。典型的量子点尺寸大小在10nm 左右，约包含104个原子，属于纳米材料的范畴。
理论分析表明，量子点中载流子在材料中的运动受到三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的。量子点具有类似于原子的分立能级，这使它的性质远比量子阱和量子线更为独特，各种量子化效应，诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等，更加显著。这些效应直接影响量子点的电子结构、输运和光学等各种物理性质，在新一代的量子器件中有十分诱人的应用前景。
量子点激光器的发展
1996-1997年是量子点激光器研制迅速发展的两年，国际上包括中国在内有众多的研究小组加入到量子点激光器的研制行列，极大地促进了量子点激光器的研究发展。为了实现量子点激光器的基态激射，人们在优化生长工艺条件的基础上，使量子点的尺寸、形状的均匀性得到了明显改善。
近年来随着研究的深入，实际制作的量子点激光器的阈值电流密度己经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。1996年N. N. Ledelltsov采用10层In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子点超晶格结构为量子点激光器的有源区，使室温下的阈值电流密度降到90A /cm2。1999年G. T. Liu等研制成功了室温下阈值电流密度26A/cm2的InAS/In0.15Ga0.85As量子点激光器。到目前为止，端面镀有高质量增反膜（HR Coating）的量子点激光器阈值电流密度可以达到10-20A/cm2 ，比最好的量子阱激光器低2-4倍。将多层量子点作为有源区的激光器中，每层量子点的阈值电流密度甚至低达7-10A/cm2。
温度稳定性方面,1994年，在Kirstaedter报道的第一个电泵浦量子点激光器虽然在低温（150-180K）表现了较好的温度稳定性，但在室温下阈值电流密度的热稳定性却比商业的GaAs量子阱器件差。1997年，Maximov等将量子点置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子点中载流子的逸出势垒高度增加，大大降低了载流子的逸出几率，减小了漏电流，使激光器的特征温度T0在工作温度80K-330K之间高达385K，远远高于量子阱激光器的特征温度，但提高T0的同时却带来了阈值电流密度的大幅提升。1999年Shernyakov报道了世界上第一只在室温（低于40℃）下同时具有高特征温度T0 (160K）和低阈值电流密度Jth（65A/cm2 ，三层量子点阵列）的GaAs基量子点激光器，工作波长为1.3μm。而目前工作在同波段的InP基量子阱激光器，最高的特征温度T0为60-70K ，最低的阈值电流密度Jth为300-400A/cm2。
理想的量子点激光器量子点的尺寸和形状相同，即量子点应只有单一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于阈值电流密度情况下（< 1.l×Jth）就观察到了单模工作。而相比之下，量子阱激光器只有远高于阈值电流密度的情况下才能实现单模工作。
2004年在斯德哥尔摩举行的欧洲光通讯会议（ECOC 2004）上东京大学和富士通报道，试制成功了工作在1.3μm波长、可将温度导致的光功率变动幅度控制到原来1/6左右的量子点激光器。在20-70℃范围内，不需调整电流对温度导致的光功率变动进行补偿就能稳定地发送10Gbit/s的光信号。由于不需要温度补偿的外部电路，因此有利于降低光发送器的体积和生产成本。该研究小组目前正试图将该激光器免调整操作的温度范围扩展至0-85℃，并预计在2007年能将其应用在商业上。这项重大进展有助于实现小型、低价位和低功率的消费性光信号发射器，城域及高速光学局域网络可望因此而受惠。
在国内，中国科学院半导体研究所承担的GaAS 基近红外波段半导体光电子材料生长和激光器研究项目也已经获得重要突破：成功制备了GaAS 基InAS 自组织量子点边发射激光器，激射波长1.33μm，室温连续工作。这是迄今为止国内首次成功制备GaAs基长波长激光器。
量子点激光器的未来
量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个问题：
(l) 如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影响了激光器激射阈值的进一步降低；
(2) 如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提高量子点材料的增益；
(3) 如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利于量子点对载流子的俘获和束缚；
(4) 如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争取覆盖WDM网络中的1.4-1.6μm波段。
作者 陈鹏，中科院半导体所
近年来半导体材料主要朝两个方向发展：一方面不断探索扩展新的半导体材料，即所谓材料工程；另一方面又逐步从高维到低维深入研究己知材料体系，这就是能带工程。
1970年美国IBM 公司的L. Esaki 和R. Tsu提出超晶格概念，由此引发二维量子阱材料的研究热潮。自从量子阱结构问世以来，各国科研人员进行了大量的理论研究工作以期能将基于量子机理的效应应用于半导体激光器领域，继而将兴趣投向了更低维度的量子线、量子点。1982年东京大学的Arakawa 和Sakaki通过理论计算指出量子点激光器的热稳定性要比传统的半导体激光器有很大的提升。1986年Asada通过理论计算预言量子点结构的阈值电流密度相比一维的量子阱结构将会有显著的降低，从而解决半导体激光器中阈值电流密度过大的问题。
80年代中期，随着半导体外延技术（如MOCVD、MBE等）的发展，对半导体薄膜材料实现精确控制生长己成为可能，获得了高质量的二维限制量子阱及超晶格材料。用这些二维限制异质结材料制成的光电器件，如激光器、探测器的性能得到迅猛的提高，并迅速进入市场，得到广泛的应用。二维量子阱材料带来的巨大成功促使实验研究人员继续在更多维度上对电子运动进行限制，开展了量子线及量子点的实验研究。
1994年N. Kirstaedter和N. N. Ledentsov报道了世界上第一只边发射的自组织量子点激光器。他们将单层InGaAS/GaAs自组织量子点插入梯度折射率分别限制异质结构量子阱激光器结构中，代替原来的量子阱充当有源介质，实现了77K 温度下120A/cm2 的低阈值电流密度。1994年以来，量子点激光器领域更是取得了突飞猛进的发展，其低阈值电流密度、优良的热稳定性等各种迷人的优点吸引了越来越多的实验室和科研单位进入到这个领域。
什么是理想量子点激光器
如果某种半导体晶体在三个空间维度上的尺寸大小均与载流子在该材料中的德布罗意波长或电子的平均自由程相当或更小，而同时该晶体又被禁带宽度更大的垒层材料所包围，这就构成了量子点结构。典型的量子点尺寸大小在10nm 左右，约包含104个原子，属于纳米材料的范畴。
理论分析表明，量子点中载流子在材料中的运动受到三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的。量子点具有类似于原子的分立能级，这使它的性质远比量子阱和量子线更为独特，各种量子化效应，诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等，更加显著。这些效应直接影响量子点的电子结构、输运和光学等各种物理性质，在新一代的量子器件中有十分诱人的应用前景。
量子点激光器的发展
1996-1997年是量子点激光器研制迅速发展的两年，国际上包括中国在内有众多的研究小组加入到量子点激光器的研制行列，极大地促进了量子点激光器的研究发展。为了实现量子点激光器的基态激射，人们在优化生长工艺条件的基础上，使量子点的尺寸、形状的均匀性得到了明显改善。
近年来随着研究的深入，实际制作的量子点激光器的阈值电流密度己经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。1996年N. N. Ledelltsov采用10层In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子点超晶格结构为量子点激光器的有源区，使室温下的阈值电流密度降到90A /cm2。1999年G. T. Liu等研制成功了室温下阈值电流密度26A/cm2的InAS/In0.15Ga0.85As量子点激光器。到目前为止，端面镀有高质量增反膜（HR Coating）的量子点激光器阈值电流密度可以达到10-20A/cm2 ，比最好的量子阱激光器低2-4倍。将多层量子点作为有源区的激光器中，每层量子点的阈值电流密度甚至低达7-10A/cm2。
温度稳定性方面,1994年，在Kirstaedter报道的第一个电泵浦量子点激光器虽然在低温（150-180K）表现了较好的温度稳定性，但在室温下阈值电流密度的热稳定性却比商业的GaAs量子阱器件差。1997年，Maximov等将量子点置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子点中载流子的逸出势垒高度增加，大大降低了载流子的逸出几率，减小了漏电流，使激光器的特征温度T0在工作温度80K-330K之间高达385K，远远高于量子阱激光器的特征温度，但提高T0的同时却带来了阈值电流密度的大幅提升。1999年Shernyakov报道了世界上第一只在室温（低于40℃）下同时具有高特征温度T0 (160K）和低阈值电流密度Jth（65A/cm2 ，三层量子点阵列）的GaAs基量子点激光器，工作波长为1.3μm。而目前工作在同波段的InP基量子阱激光器，最高的特征温度T0为60-70K ，最低的阈值电流密度Jth为300-400A/cm2。
理想的量子点激光器量子点的尺寸和形状相同，即量子点应只有单一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于阈值电流密度情况下（< 1.l×Jth）就观察到了单模工作。而相比之下，量子阱激光器只有远高于阈值电流密度的情况下才能实现单模工作。
2004年在斯德哥尔摩举行的欧洲光通讯会议（ECOC 2004）上东京大学和富士通报道，试制成功了工作在1.3μm波长、可将温度导致的光功率变动幅度控制到原来1/6左右的量子点激光器。在20-70℃范围内，不需调整电流对温度导致的光功率变动进行补偿就能稳定地发送10Gbit/s的光信号。由于不需要温度补偿的外部电路，因此有利于降低光发送器的体积和生产成本。该研究小组目前正试图将该激光器免调整操作的温度范围扩展至0-85℃，并预计在2007年能将其应用在商业上。这项重大进展有助于实现小型、低价位和低功率的消费性光信号发射器，城域及高速光学局域网络可望因此而受惠。
在国内，中国科学院半导体研究所承担的GaAS 基近红外波段半导体光电子材料生长和激光器研究项目也已经获得重要突破：成功制备了GaAS 基InAS 自组织量子点边发射激光器，激射波长1.33μm，室温连续工作。这是迄今为止国内首次成功制备GaAs基长波长激光器。
量子点激光器的未来
量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个问题：
(l) 如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影响了激光器激射阈值的进一步降低；
(2) 如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提高量子点材料的增益；
(3) 如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利于量子点对载流子的俘获和束缚；
(4) 如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争取覆盖WDM网络中的1.4-1.6μm波段。
作者 陈鹏，中科院半导体所
