量子点激光器

量子点(QuantumDots)和量子点激光器•量子点(quantumdot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子构成。外观恰似一极小的点状物，粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantumconfinementeffect)特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”(artificialatom)。量子点有极大的应用潜力。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。•量子点可视为电子物质波的共振腔，电子在量子点内会有类似电磁波在一般共振腔中的共振现象。当局限位能壁（potential-wall）较薄时，量子点中的电子可因穿隧效应（tunnelingeffect）而逃离，我们称之为开放式量子点（openquantumdot），如图所示，其类似一开放共振腔（opencavity），此时电子能阶不再是稳态(stationarystate)而是一种准稳态（quasi-stationarystate）；电子停留在准稳态约一个生命周期（lifetime）后就会逃离量子点。•在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子局限效应不显着。•如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantumwell)；•如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantumwire)；•当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点了（quantumdot）。若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantummechanics)出发。我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermiwavelength)λF=2π/kF量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图•所以并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。1.化学溶胶法(chemicalcolloidalmethod)：可制作复层(multilayered)量子点，过程简单，且可大量生产。量子点的制造方法：量子点的制备可采用分子束外延技术在各种自然表面上直接生长的方法。如在小偏角表面(vicinalsurface)超台阶面(supersteps)、高指数表面等或者在一些由人工做出的图形衬底上生长。如V形槽、在掩膜表面上选择局部生长、自组织生长法等。下面介绍几种具体的制备方法2.自组成法(self-assemblymethod)采用分子束磊晶(molecular-beamepitaxy)或化学气相沉积(chemicalvapordeposition)制程，并利用晶格不匹配(latticemismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像(取自Ref.2)3.微影蚀刻法(lithographyandetching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点br之SEM影像，水平线条约0.5微米4.分闸法(split-gateapproach)：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维侷限，可控制闸极(Gate)改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，但无法大量生产。以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点之SEM影像•量子点的用途相当广泛，例如：可用于蓝光雷射、光感测元件、单电子电晶体(singleelectrontransistor,SET)、记忆储存、触媒以及量子计算(quantumcomputing)等，在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成萤光标签，成为生物检测用的「纳米条码」。•量子点是目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究，主要领先的有美国、日本、欧盟及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。量子点激光器简单地说,量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构示意图如图所示。能态计算对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。(1)对于三维体系,在固体物理中,已求得其态密度与能量的关系是抛物线形,如图(a)所示。(2)当体系为在某个方向(如z向)受限的二维体系(量子阱)时，受限方向(z向)的平移对称性被破坏，kz不再是好量子数，该方向发生能级分裂。一个本征态的能量可以写为E=Ei+Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能级值。在量子阱中，电子能量所以一个E的分裂值对应一个由各种不同Exy造成的子能带，该子能带对应的态密度为能态图是阶梯型，如图(b)所示即电子在xy平面运动所对应的子能带能量密度是一个常数。为了简便，取A=1。于是三维能量的态密度为对于量子线而言，体系在两个方向（如z、y方向）受限，它的能量和态密度之间的关系可以利用同样的方法求得，结果是对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ函数的形式，即其中Ei是体系的能量可取值，可表示为ρ3D(E)=∑δ(E-Ei)i量子点的能态图形为类氢光谱状的分离线，如图(d)所示。一个实际的量子点激光器的能带结构和生长结构示意图量子点激光器能带结构和生长结构示意图1、9为上下欧姆电极接触层；2、8为超晶格缓冲层；3、7为上下包层；4、6为上下折射率梯度改变分别限制区；5为量子点有源区。•量子点激光器的优点1.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。2.1997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。3.对于理想的量子点激光器量子点，它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。从量子点本身的性质出发,存在声子瓶颈效应。当电子被注入到势垒区的高能级上时,它必须依靠与声子的散射作用(放出声子),才能弛豫到量子阱或量子点中的低能级上。•量子点激光的瓶颈问题声子散射要求能量守恒和动量守恒。对于量子阱来说,由于子能带的存在,这两个条件很容易同时满足。但对于量子点而言,由于电子能级都是分离的,很难使两个能级能量差恰好等于一个光学声子的能量。因此,认为量子点缺乏一种有效的载流子弛豫途径,称之为声子瓶颈效应。•事实上,后来的实验证明,这个问题并不象原来想象的那么严重。在量子点中存在一个很快的捕获和弛豫机制。现在已经提出一种弛豫机制:俄歇过程。理论计算表明,如果二维电子-空穴等离子体的密度为1010每平方厘米,则电子和空穴的弛豫时间将达10ps,而这一密度对量子点来说容易达到,但这一弛豫机制还需要实验证明。•从制造工艺上,量子点的尺寸大小均匀性不好控制,也使它的发展受到了阻碍。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。