Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 量子光电子技术的发展
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun 11 22:00:38 2003)

    自60年代末“超晶格”概念的提出和70年代用MBE技术生长成AlGaAs/GaAs
超晶格以来，随着MBE和MOCVD的发展，在短短20来年里，量子效应器件已发展
成为新一代半导体器件。
    量子效应器件的核心是由超薄层的工作物质所引出的量子尺寸效应。1975
年，BELL实验室的W.Dingle和 C.Henry首次发现当半导体激光器的有源层厚度
由通常的亚微米减少到德布罗意波长时（几十—几百埃），出现所谓的量子尺
寸效应。它赋予量子效应器件一系列重要特征：
 1. 能带的量子化和态密度的阶梯状分布。
    通常半导体的能带都是连续的，导带和价带的态密度与能量的关系为抛物
型。而量子尺寸效应却导致能带量子化和态密度呈阶梯状分布，这使得量子阱
激光器具备了优良的阈值，频率和线宽特性。
 a. 极低的阈电流密度
    由于量子阱内的电子（空穴）态密度和能量的阶梯状关系以及薄阱区厚度，
    由于量子阱内的电子（空穴）态密度和能量的阶梯状关系以及薄阱区厚度，
只要很小的注入就可以达到阈值增益。其最低阈电流密度可降到每平方厘米几
十安培。
              典型量子阱LD的阈电流特性
类型                                       阈电流
845nm GaAs/GaAkAs多量子阱激光器            0.88mA
980nm InGaAs/GaAlAs 单量子阱激光器         0.75mA
1520nm InGaAsP/InP多量子阱激光器           0.98mA
 b. 阈电流对温度的弱依赖性
    普通半导体激光器的温度依赖性非常强烈。而在量子阱激光器中，阶梯状
分布的态密度限制了载流子的热扩展效应，所以量子阱激光器的温度特性非常
好。传统的半导体激光器的特征温度只有 50～150度左右，而量子阱半导体激
光器的特征温度则高达400度以上。
 c. 高调制速率和窄线宽
    阶梯状分布的态密度使得量子阱激光器比普通半导体激光器有窄的多的增
益谱，这明显提高了微分增益（即量子阱激光器的增益随注入载流子的变化更
明显）。而半导体激光器的调制速率与微分增益成正比。目前已可得到 25GHz
的直接调制频率。同样，半导体激光器的线宽与微分增益成反比。采用1%应变
层的多量子阱DFB激光器的线宽已达3.6KHz。
 2. 室温激子效应
    半导体材料中，激发态下的自由电子和自由空穴因库伦力而形成束缚态偶
极矩“自由激子”，但这种束缚态的能量很低，室温下一般都离化了，因而观
    半导体材料中，激发态下的自由电子和自由空穴因库伦力而形成束缚态偶
极矩“自由激子”，但这种束缚态的能量很低，室温下一般都离化了，因而观
测不到。在超薄层势垒中，由于量子尺寸的限制，可以形成二维自由激子。当
测不到。在超薄层势垒中，由于量子尺寸的限制，可以形成二维自由激子。当
 2. 室温激子效应
    半导体材料中，激发态下的自由电子和自由空穴因库伦力而形成束缚态偶
极矩“自由激子”，但这种束缚态的能量很低，室温下一般都离化了，因而观
阱宽窄到一定程度，激子束缚能明显增加，在室温下也不离，因而成为室温激
子。
    室温激子的存在使得量子效应器件具备了重要的非线性光学特性。利用室
温激子效应可以制作光开关，光存储光逻辑运算器件。例如在量子阱自光电效
应器件（SEED）中，当在垂直于阱垒界面方向上家外电场时，会使自由激子的
偶极矩改变，从而使激子吸收峰红移。由于这种现象与STARK效应类似,故被称
为量子限制STARK效应。据最新报道，F-SEED器件在0.1ps的光脉冲置位或复位
时，关断时间可达0.17ns。
 3. 调制掺杂
    半导体器件中的很多性能是由掺入其中的杂质电离后产生的载流子决定的，
而载流子的寿命和迁移率又受到杂质的影响。所谓“调制掺杂”是指在势垒中
掺杂而势阱中不掺杂。这样做的好处在于可以既获得高的载流子迁移率又可获
得良好的势阱晶格完美性，从而同时保证电子学和光子学两方面的要求。

 4. 应变层超晶格
    通常异质结外延时，如果两种材料的晶格失配度大于0.5%，则异质结界面处
会由于两种原子的间距差别过大而形成失陪位错。但对于超薄层生长，只要每层
的厚度足够薄且晶格失配度不大于7~9%，则可以通过双方的弹性形变使异质结界
面处形成折衷的晶格体系，并且在界面两边的晶体内产生应变。
    这种具有内应力的应变层超晶格可以改变量子阱材料的能带结构。内应力的
直接结果是使合金的禁带宽度变化，使能带形状改变和改变价带兼并状态。
    量子效应器件对现代通信，信息传输处理和计算技术的影响主要表现在以下
几个方面：
 1. 引入量子阱可以获得高调制速率和窄线宽半导体激光器。
 2. 引入应变层超晶格增加了使用能带工程剪裁材料的光电特性的自由度，因此
可以获得新型器件，如用于光纤放大器的980nm大功率半导体激光器,可见光半导
体激光器，偏振不灵敏半导体光放大器等。
 3. 利用应变层超晶格有可能实现Si基上的微电子和光电子集成。
 4. 在计算机光互连上，利用量子阱技术可以制作超低阈值的面发光激光器。这
种器件的低功耗和二维集成特性是广互连所不可缺少的。
 5. 在光计算方面，基于室温激子效应的量子阱自光电效应器件（SEED）将成为
未来光计算系统中的重要功能器件。
    通常异质结外延时，如果两种材料的晶格失配度大于0.5%，则异质结界面处
会由于两种原子的间距差别过大而形成失陪位错。但对于超薄层生长，只要每层
的厚度足够薄且晶格失配度不大于7~9%，则可以通过双方的弹性形变使异质结界
面处形成折衷的晶格体系，并且在界面两边的晶体内产生应变。
    这种具有内应力的应变层超晶格可以改变量子阱材料的能带结构。内应力的
直接结果是使合金的禁带宽度变化，使能带形状改变和改变价带兼并状态。
    量子效应器件对现代通信，信息传输处理和计算技术的影响主要表现在以下
几个方面：
 1. 引入量子阱可以获得高调制速率和窄线宽半导体激光器。
 2. 引入应变层超晶格增加了使用能带工程剪裁材料的光电特性的自由度，因此
可以获得新型器件，如用于光纤放大器的980nm大功率半导体激光器,可见光半导
体激光器，偏振不灵敏半导体光放大器等。
 3. 利用应变层超晶格有可能实现Si基上的微电子和光电子集成。
 4. 在计算机光互连上，利用量子阱技术可以制作超低阈值的面发光激光器。这
种器件的低功耗和二维集成特性是广互连所不可缺少的。
 5. 在光计算方面，基于室温激子效应的量子阱自光电效应器件（SEED）将成为
未来光计算系统中的重要功能器件。
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