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。199
4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
量子阱是窄带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间。如果窄带系与宽带系超薄层交替生
长就能构成多量子阱(MQW)。在MQW中如果各阱之间的电子波函数发生一定程度的交叠或耦合，则这样的MQW也就是超晶格，宛如在晶体中微观粒子作周期有序排列一样。
激光笔量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。由于垂直与阱壁方向的限制作用，使导带与价带的能级分裂为子带。电子的总能量可表示为
式中，kc||与mc||分别为在平行与结平面方向的波数与有效质量，故上式右边第一项为电子抛物线能量分布，第二项为量子化能量，它在阱底为零。相应的光跃迁波长为
与块状材料单纯由Eg决定不同。Ecn和Evn分别为导带和价带的量子化能级，并有
其中，Lz量子阱宽，对Evn亦有类似的表示式。但此时由于量子限制作用，重轻空穴带的兼并解除，价带情况较复杂，。由半导体物理，可推导出量子阱中电子的态密度函数为：
H函数为Heaviside单位阶跃函数，Lz为阱宽，n为z方向量子数。价带空穴的态密度也有
类似的表示。
量子阱材料中，价带子能带（HH1、HH2、HH3、LH1）形状随k方向不同而不同，图中所示为某些方向的能带形状。由以上可以看出，
1) 由于电子被势垒所限制，其波函数在垂直方向引起能级量子化，电子、空穴的态密度与能量的关系，由抛物线型改变成台阶状结构，比体材料远为集中。其阶梯状能带允许注入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高于体材料的激光器。高的微分增益带来许多好处：
降低了激光器的阈值电流；
使有源层中电子与光子的耦合时间常数变小，因而使激光器的张驰振荡频率与相同发射频率的块状有源材料激光器相比大大提高，这就相应的提高了激光器的调制带宽；
有源层内部载流子损耗的减少，提高了激光器的斜率效率；
减少了频率啁啾。
2) QW材料禁带宽度大与体材料，因此激射波长变短。
3) 由于量子限制效应，重轻空穴带分裂，且子带形状发生变化，加剧了TE与TM模的非对称性，影响了激光器性能。
对于量子阱结构，由于有源层厚度很小，光场限制因子减少，有相当大一部分光的能量会渗出有源层，会导致阈值升高等问题。现实中采用光子和载流子分别限制的结构，在有源层外加上光限制层。有分别限制单量子阱(SCH—SQW)结构和多量子阱结构。
SCH—SQW是在阱层两侧配备底折射率的光限制层（波导层）。该层折射率有渐变和突变两种。如图4
MQW有多个窄带隙和宽带隙超薄层交替生长而成，在两边最外的势垒层之后再生长底折射
率的波导层以限制光子，这等效于加厚了有源层，使激光器的远场特性有大幅度改善。
2、 应变量子阱
组成量子阱的薄层之间一定量（在某一临界尺寸以内）的晶格常数失配所造成的失配应力能使能带结构发生有利的变化，应变量子阱正是基于这一点使能带结构发生了根本改变。
这种思想由Yablanovitch和Kane、Adams在1986年分别提出。以通常的半导体激光器在衬底的[001]方向生长超薄层为例，在临界厚度以内，所有应变几乎都允许存在于生长层内。处在双轴应力的外延层在生长层内的晶格常数为a||等于衬底的晶格常数a感应式小便器s,设其原晶格常数为ae。总的应变可表示为（S||=( as- ae)/ae为层内应变）
轴向分量 Sax=-2S||
应变量子阱不但为选择晶格材料组分提供了较大的范围，同时使能带结构发生有利的变化。
应变量子阱 |
单轴应变（⊥与平面） | 双轴应变（||与平面） |
单轴拉应变 | 单轴张应变 | 双轴拉应变 | 双轴张应变 |
价带顶重空穴能级上升（在上） 价带顶轻空穴能级下降（在下）接线端子座 | 价带顶重空穴能级下降（在下） 价带顶轻空穴能级上升（在上） | 价带顶重空穴能级曲率变大 价带顶轻空穴能级曲率变小 | 价带顶重空穴能级曲率变大 价带顶轻空穴能级曲率变小 |
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图7 InxGa1-xAs/InP应变量子阱的能带
以InxGa1-xAs/InP应变量子阱为例,当x=0.53时，In0.53Ga0.47As/InP与InP晶格匹配很好，不产生应变；当x>0.53时，InGaAs有比InP大的晶格常数，弹性形变使超薄层承受压应变；当x<0.53时，超薄层内将有张应变使两种材料之间有不产生失配位错的弹性键合，在某一临界值下，其材料有好的光学性质。对InxGa1-xAs，此值约为20nm%。即若层厚为20nm，则允许应变量为1%-2%。
应变的静态分量使导带和价带发生整体相对移动，禁带宽度发生变化。压应变情况，E石棉密封垫
g增加，张应变情况，Eg减少。因此，通过调节应变的类型与应变量的大小，可以调节激光器的激射波长。
应变打破了立方晶体的对称性，其轴向分量使重空穴与轻空穴带分离，且其分离的程度正比与应变量。产生压应变时，重空穴带仍在轻空穴带以上，但带顶处的曲率半径明显减少，重空穴的有效质量减少，明显的增加了与导带的对称性，使得阈值电流进一步减少；产生张应变时，轻空穴却有可能位于重空穴带之上，并使其曲率减少，增加了TE模与TM模的对称性，一方面使得阈值电流减少，另一方面也为实现与偏振无关的半导体激光放大器提供了技术保证。
应变量子阱的出现从根本上改变了能带的结构，只要通过调节应变的类型与应变量的大小就有可能得到我们所需要的能带结构，使半导体器件的性能出现了大的飞跃，半导体激光器在许多领域内的应用成为现实，成为半导体光电子学发展史上的一个里程碑。例如，用来泵浦掺铒光纤放大器、激射波长为980nm的半导体激光器就是依靠应变量子阱来实现的。应变量子阱给正在发展中的Ge1-xSix/Si超晶格带来了活力，理论分析认为，通过布里渊区能带的折叠效应，就有可能实现Ge1-xSix/Si材料有间接带隙向直接带隙转变。如果这
一目的能实现，以其作为半导体激光器的有源层材料，则大规模的光电子集成将成为现实，其应用价值不言而喻。
三、 直腔面发射LD(VECSEL—vertical cavity surface emitting laser)：量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为
1、 边发射LD（Edge Emitting LD）：光平行与异质结界面输出。普通LD都属于这一类型。
光反馈由材料解理面形成的反射镜提供，光在有源层长度方向得到放大，平行与异质结界面输出。
图8 端面发射的常规半导体激光器
纳豆菌种
2、 垂直腔面发射LD(VECSEL—vertical cavity surface emitting laser):光垂直于结平面的方向输出。VECSEL由东京工业大学Iga教授提出，但只有在量子阱结构出现以后才成为可能。垂直腔是指激光腔的方向即光子振动方向垂直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到放大。由于有源层厚度很小，要想实现底阈值的激光振荡，除要求要有高增益系数的有源层介质之外，还需要有高的腔面反射率。所以有源层采用量子阱材料，而提高腔面反射率的方法一种是在腔面镀高反膜，难度较大；另一种是采用DBR结构(SCH)。典型结构如图示
1）DBR设计：发光区夹在两组DBR之间，DBR由交替生长的不同x和y组分的半导体薄层组成，相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg附近的反射率达到极高的水平，每一组DBR相当于一个高反射镜。然而，DBR各薄层的带隙周期新性的交替变化而构成的一系列势垒必然会增加VECSEL的工作电压和串联电阻，这等效于在有源介质两边生成了加热体，因此必须采取措施以降低串联电阻。一种是有源区采用量子阱结构，以减少阈值电流；将
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