量子點(diǎn)激光器

1、量子點(diǎn)(Quantum Dots) 和量子點(diǎn)激光器,量子點(diǎn)(quantum dot)是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子構(gòu)成。 外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物，粗略地說，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米(nm)以下。量子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantum confinement effect)特別顯著。量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，故量子點(diǎn)可

2、用來作激光器的工作物質(zhì)，而量子點(diǎn)也因此被稱為“人造原子”(artificial atom)。量子點(diǎn)有極大的應(yīng)用潛力?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種納米材料在二十一世紀(jì)的納米電子學(xué)(nanoelectronics)上有極大的應(yīng)用潛力。,量子點(diǎn)可視為電子物質(zhì)波的共振腔，電子在量子點(diǎn)內(nèi)會(huì)有類似電磁波在一般共振腔中的共振現(xiàn)象。當(dāng)局限位能壁（potential-wall）較薄時(shí)，量子點(diǎn)中的電子可因穿隧效應(yīng)（tunneling

3、 effect）而逃離，我們稱之為開放式量子點(diǎn)（open quantum dot），如圖所示，其類似一開放共振腔（open cavity），此時(shí)電子能階不再是穩(wěn)態(tài)(stationary state)而是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（quasi-stationary state）；電子停留在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)約一個(gè)生命周期（life time）后就會(huì)逃離量子點(diǎn)。,在一般塊材中，電子的波長遠(yuǎn)小于塊材尺寸，因此量子局限效應(yīng)不顯著。如果將某一個(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長，

4、此時(shí)電子只能在另外兩個(gè)維度所構(gòu)成的二維空間中自由運(yùn)動(dòng)，這樣的系統(tǒng)我們稱為量子阱(quantum well)；如果我們再將另一個(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長，則電子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng)，我們稱為量子線(quantum wire)；當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都縮小到一個(gè)波長以下時(shí)，就成為量子點(diǎn)了（quantum dot）。,若要嚴(yán)格定義量子點(diǎn)，則必須由量子力學(xué)(quantum mechanics)出發(fā)。 我們知道電子具有粒子性與波動(dòng)性，電子的物質(zhì)波

5、特性取決于其費(fèi)米波長(Fermi wavelength),λF = 2π / kF,量子阱、量子線及量子點(diǎn)能級比較關(guān)系示意圖,所以并非小到100nm以下的材料就是量子點(diǎn)，真正的關(guān)鍵尺寸是由電子的德布羅意波長或平均自由程。一般而言，電子費(fèi)米波長在半導(dǎo)體內(nèi)較在金屬內(nèi)長得多，例如在半導(dǎo)體材料砷化鎵GaAs中，費(fèi)米波長約40nm，在鋁金屬中卻只有0.36nm。,1.化學(xué)溶膠法 (chemical coll

6、oidal method)： 可制作復(fù)層(multilayered)量子點(diǎn)，過程簡單，且可大量生產(chǎn)。,量子點(diǎn)的制造方法：量子點(diǎn)的制備可采用分子束外延技術(shù)在各種自然表面上直接生長的方法。如在小偏角表面(vicinal surface) 超臺階面( super steps) 、高指數(shù)表面等或者在一些由人工做出的圖形襯底上生長。如V 形槽、在掩膜表面上選擇局部生長、自組織生長法等。下面介紹幾種具體的制備方法,2.自組成法(self-ass

7、embly method)采用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition)制程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子點(diǎn)在特定基材表面自聚生長，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點(diǎn)。,在GaAs基材上以自組成法生長 InAs量子點(diǎn)的STM影像(取自Ref.2),,3.微影蝕刻法(lithography　and　etching)：以光束

8、或電子束直接在基材上蝕刻制作出所要之圖案，由于相當(dāng)費(fèi)時(shí)因而無法大量生產(chǎn)。,以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn) 之SEM影像，水平線條約0.5微米,4.分閘法(split-gate approach)：以外加電壓的方式在二維量子井平面上產(chǎn)生二維侷限，可控制閘極(Gate)改變量子點(diǎn)的形狀與大小，適合用于學(xué)術(shù)研究，但無法大量生產(chǎn)。,以分閘法產(chǎn)生GaAs/AlGaAs量子點(diǎn)之SEM影像,量子點(diǎn)的用途相當(dāng)廣泛，例如：可用于藍(lán)光雷射、光感測元件、單

9、電子電晶體(single electron transistor, SET)、記憶儲(chǔ)存、觸媒以及量子計(jì)算(quantum computing)等，在醫(yī)療上更利用各種發(fā)光波長不同的量子點(diǎn)制成螢光標(biāo)簽，成為生物檢測用的「納米條碼」。 量子點(diǎn)是目前理論上與實(shí)驗(yàn)上的熱門研究題目，世界各國無不積極投入研究，主要領(lǐng)先的有美國、日本、歐盟及俄羅斯等，臺灣也正在急起直追中。,量子點(diǎn)激光器,簡單地說,量子點(diǎn)激光器是由一個(gè)激光母體材料和組裝在其中的量子點(diǎn)

10、以及一個(gè)激發(fā)并使量子點(diǎn)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵源所構(gòu)成。一個(gè)實(shí)際量子點(diǎn)激光器（砷化鎵銦量子點(diǎn)激光器）的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。,,能態(tài)計(jì)算 對于不同維度的電子體系,許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)來源于它們的態(tài)密度。態(tài)密度是指單位體積在能量E附近單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)。每一個(gè)量子態(tài)可被自旋向上和向下的兩個(gè)電子所占據(jù)。半導(dǎo)體激光器從三維到二維、再到一維、零維,這種不斷發(fā)展變化的內(nèi)因在于不同維度材料的態(tài)密度不同,從而激光器的性能不斷改善。,(1) 對于三維

11、體系,在固體物理中,已求得其態(tài)密度與能量的關(guān)系是拋物線形,如圖(a) 所示。,(2)當(dāng)體系為在某個(gè)方向(如z向)受限的二維體系(量子阱)時(shí)，受限方向(z向)的平移對稱性被破壞，kz不再是好量子數(shù)，該方向發(fā)生能級分裂。一個(gè)本征態(tài)的能量可以寫為E=Ei + Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能級值。,在量子阱中，電子能量,所以一個(gè)E的分裂值對應(yīng)一個(gè)由各種不同Exy造成的子能帶，該子能帶對應(yīng)的態(tài)密度為,能態(tài)圖是階梯型，如圖(b)

12、所示,即電子在xy平面運(yùn)動(dòng)所對應(yīng)的子能帶能量密度是一個(gè)常數(shù)。為了簡便，取A=1。于是三維能量的態(tài)密度為,對于量子線而言，體系在兩個(gè)方向（如z、y方向）受限，它的能量和態(tài)密度之間的關(guān)系可以利用同樣的方法求得，結(jié)果是,對于零維的量子點(diǎn)而言，體系在x、y、z三個(gè)方向受限，載流子的能量在三個(gè)方向上都是量子化的，不存在能量的連續(xù)分布。所以，量子點(diǎn)的態(tài)密度與能量的關(guān)系表示為δ函數(shù)的形式，即,其中Ei是體系的能量可取值，可表示為,ρ3D(E) =

13、 ∑ δ ( E - Ei) i,量子點(diǎn)的能態(tài)圖形為類氫光譜狀的分離線，如圖(d)所示。,一個(gè)實(shí)際的量子點(diǎn)激光器的能帶結(jié)構(gòu)和生長結(jié)構(gòu)示意圖,量子點(diǎn)激光器能帶結(jié)構(gòu)和生長結(jié)構(gòu)示意圖,1、9為上下歐姆電極接觸層；2、8為超晶格緩沖層；3、7為上下包層；4、6為上下折射率梯度改變分別限制區(qū)；5為量子點(diǎn)有源區(qū)。,量子點(diǎn)激光器的優(yōu)點(diǎn),實(shí)際制作的量子點(diǎn)激光器的閾值電流密度己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光器以及量子阱激光器。1996

14、年N. N. Ledelltsov采用10層In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)為量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)，使室溫下的閾值電流密度降到90A /cm2。1999年G. T. Liu等研制成功了室溫下閾值電流密度26A/cm2的InAS/In0.15Ga0.85As量子點(diǎn)激光器。,1997年，Maximov等將量子點(diǎn)置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子點(diǎn)中載流子的逸出勢壘高度增加，大大降低了載流子的逸

15、出幾率，減小了漏電流，使激光器的特征溫度T0在工作溫度80K-330K之間高達(dá)385K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子阱激光器的特征溫度，但提高T0的同時(shí)卻帶來了閾值電流密度的大幅提升。1999年Shernyakov報(bào)道了世界上第一只在室溫（低于40℃）下同時(shí)具有高特征溫度T0 (160K）和低閾值電流密度Jth=65A/cm2 ，三層量子點(diǎn)陣列的GaAs基量子點(diǎn)激光器，工作波長為1.3μm。而目前工作在同波段的InP基量子阱激光器，最高的特征溫度T0為

16、60-70K ，最低的閾值電流密度Jth為300-400A/cm2。,3. 對于理想的量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn)，它應(yīng)只有單一電子能級和空穴能級，很容易實(shí)現(xiàn)單模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低溫下稍高于閾值電流密度情況下就觀察到了單模工作。而相比之下，量子阱激光器只有遠(yuǎn)高于閾值電流密度的情況下才能實(shí)現(xiàn)單模工作。,從量子點(diǎn)本身的性質(zhì)出發(fā),存在聲子瓶頸效應(yīng)。當(dāng)電子被注入到勢壘區(qū)的高能級上時(shí),它必須依靠與聲子的散射作用(放出聲子

17、) ,才能弛豫到量子阱或量子點(diǎn)中的低能級上。,量子點(diǎn)激光的瓶頸問題,聲子散射要求能量守恒和動(dòng)量守恒。對于量子阱來說,由于子能帶的存在,這兩個(gè)條件很容易同時(shí)滿足。但對于量子點(diǎn)而言,由于電子能級都是分離的,很難使兩個(gè)能級能量差恰好等于一個(gè)光學(xué)聲子的能量。因此,認(rèn)為量子點(diǎn)缺乏一種有效的載流子弛豫途徑,稱之為聲子瓶頸效應(yīng)。,事實(shí)上,后來的實(shí)驗(yàn)證明,這個(gè)問題并不象原來想象的那么嚴(yán)重。在量子點(diǎn)中存在一個(gè)很快的捕獲和弛豫機(jī)制?，F(xiàn)在已經(jīng)提出一種弛豫機(jī)制

18、:俄歇過程。理論計(jì)算表明,如果二維電子- 空穴等離子體的密度為1010每平方厘米 ,則電子和空穴的弛豫時(shí)間將達(dá)10ps ,而這一密度對量子點(diǎn)來說容易達(dá)到,但這一弛豫機(jī)制還需要實(shí)驗(yàn)證明。從制造工藝上,量子點(diǎn)的尺寸大小均勻性不好控制,也使它的發(fā)展受到了阻礙。,量子點(diǎn)激光器的未來 量子點(diǎn)激光器的研制在近幾年內(nèi)取得了長足進(jìn)步，已經(jīng)向傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器開始了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但其性能與理論預(yù)測相比仍有較大的差距。進(jìn)一步提高量子點(diǎn)激光器的性能，必須解

19、決以下幾個(gè)問題：,(l) 如何生長尺寸均勻的量子點(diǎn)陣列。雖然量子點(diǎn)的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均勻性，使量子點(diǎn)發(fā)光峰非均勻展寬，發(fā)光峰半寬比較寬，遠(yuǎn)大于量子阱材料（meV）。實(shí)際上只有很少一部分量子點(diǎn)對激光器的發(fā)光有貢獻(xiàn)，限制了光增益，影響了激光器激射閾值的進(jìn)一步降低； (2) 如何增加量子點(diǎn)的面密度和體密度，盡可能提高量子點(diǎn)材料的增益； (3) 如何優(yōu)化量子點(diǎn)激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其有利于量子點(diǎn)對載流子的俘獲和束縛； (4