应变量子阱器件
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第241页（3812字）
主要是指应变量子阱光电器件，并且以应变量子阱激光器为主要代表，也包括应变量子阱激光放大器和应变量子阱探测器等。
自从1962年第1个半导体激光器问世以来，为了提高它的激射特性，进行了大量研究工作，先后发展了同质结、单异质结和双异质结等结构。自从1974年R．Dingle等报导了量子阱激光器的光学特性之后，由于量子阱激光器阈值电流低、温度稳定性好、单纵模性能稳定、窄线宽等优点而受到重视，并得到了飞速发展。
80年代中期，随着分子束外延、金属有机化合物气相外延以及化学束外延技术的发展，化合物半导体材料超薄层生长技术和晶格失配异质外延技术日益成熟，开始把应变效应引入到半导体激光器中，利用应变效应改善半导体激光器的性能，发展半导体激光器新的应用，取得引人注目的成果。我们知道，只要衬底与外延层材料晶格常数差别不是很大，外延层又足够薄时，两种材料在平行界面方向上有一个统一的晶格常数，亦即晶体处于弹性形变状态，而不引起位错。
通常把不发生范性形变的最大厚度称为临界厚度，它与材料力学性质、应变大小有关。根据晶格常数大小的不同，这时外延层处于压应变状态或张应变状态。
为了从理论上分析这种应变结构对器件性能的影响，常常把这种双轴应变分解为一个纯静水压应变和一个单轴应变。纯静水压应变引起禁带宽度的变化，而单轴应变则改变了晶体的对称性，使简并的能带分裂，改变能带形态或使各子带相对位置发生变化。1986年英国A．R．Adams和美国E．Yablonovitch等各自独立指出利用压缩应变可以实现最高空穴带为类轻空穴带，从而可以大幅度减小Auger复合和价带间吸收，减小线宽增强因子。
此后，又从理论上用紧束缚法和K·P耦合法对压应变量子阱激光器进行了很多研究，结果表明，利用量子尺寸效应可以使最高空穴子带在生长平面方向Г点附近局部范围内有较小的有效质量，如果再考虑压缩应变则可以使这一小的有效质量区域增大，有效质量进一步减小，从而可更加减小空穴状态密度，增加增益，使激光器阈值电流进一步减小，进一步改善它的温度稳定性，提高振荡频率。1991年，E．P．O′Reilly等从理论上指出了伸张应变能使轻空穴态为最高空穴子带，且TM模可具有更大的增益矩阵元，并对不考虑量子尺寸效应只考虑张应变效应时，计算了其增益，发现伸张应变亦可减小激光器阈值电流。1992年，M．Sugauara又对压缩和伸张应变下InGaAs／InP系量子阱的光增益进行了较全面的理论分析，指出由于在伸张应变状态下，有大的导带基态和轻空穴子带之间的TM模光学矩阵元和高的联合态密度，从而伸张应变也能改善量子阱激光器的特性。
在进行理论研究工作的同时，也利用X－光、光荧光等手段，对InGaAs／GaAs、GaInP／GaAs、InGaAs／InP、AlGaAs／GaAs等材料体系，从实验上研究了应变对这些材料光电特性的影响，发现应变使带隙和能级位置的变化基本上与理论上预计的结果一致。1986年以后，还同时开展了应变量子阱激光器的研制工作，对于压应变量子阱激光器，主要有InGaAs／GaAs(Al)和InGaAs／InGaAsp两种体系。目前报导的InGaAs／InGaAsP系列压应变量子阱激光器阈值电流密度已达到147A／cm2；最小阈值电流为0．8mA；最小线宽增强因子为2；最大端面输出功率为325mW；压应变多量子阱分布反馈激光器在10Gbit下直接调制啁啾宽度已降到0．2nm。
对InGaAs／GaAs(AL)体系压应变量子阱激光器最小阈值电流密度为65A／cm2；最小阈值电流为0．35mA；最大端面输出功率为1．6W。
对于伸张应变量子阱激光器的研究，实验工作还要比理论工作早一点。目前InGaAs／InGaAsP系列张应变量子阱激光器阈值电流密度最小可达92A／cm2；最小阈值电流为0．8mA；线宽增强因子为1．5；3dB带宽高达40GHz。
除了上述优点之外，应变量子阱激光器另一个引人注目的原因是可以开拓新的波长。近几年来，光纤放大器的发展已使它成为光纤通讯系统中的重要一员。
随着光纤放大器的发展，对作为它泵源的0．98μm和1．48μm激光器的需求也就愈来愈多。适当选择应变，InGaAs／GaAs(AL)体系应变量子阱激光器是唯一可以实现0．98μm激射的激光器，同样，应变量子阱InGaAs(P)／InGaAsP激光器可以实现1．48μm激射。
近年来这两种激光器在美国、日本等均已有商品。
由于应变量子阱激光器阱宽通常很薄，以保证量子尺寸效应和不产生位错，因而限制因子很小。
为了提高限制因子，这种激光器常常作成分别限制多量子阱结构(SCH)，或者变折射率分别限制结构(GRSCH)。对于压应变量子阱，可以实现较强的带填充效应不仅发生在导带，而且也发生在价带。采用变折射率分别限制异质结构的单片集成，20个不同波长的DFB激光器阵列激射波长范围在1459．2～1590．6nm之内。这将为波分复用光通信系统和长波长通讯提供了很有用的器件。
值得注意的是，Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体蓝光量子阱激光器是当前急需的一种很有前途的激光器。它是用ZnSeCd作阱，ZnSe作垒，这也是一种应变量子阱结构，利用应变效应可以进一步降低阈值，有利于实现室温连续工作。
目前美国、日本、英国都已经用这种结构制成了室温脉冲工作的蓝光(490nm)激光器。
在应变量子阱激光器发展的初期，曾经有人怀疑应变量子阱激光器的可靠性。
最近有人对应变量子阱激光器作了寿命实验，据报导其连续工作寿命已超过2万h，从而表明这个问题也是可以解决的。
尽管目前对应变量子阱激光器的理论工作已有许多报导，但在全面、系统分析应变类型、大小对激光器各种性能的影响，并在此基础上给出应变量子阱激光器的优化设计等方面，还有大量工作要做。在实验上，研究制造各种激射波长的应变量子阱激光器，改善它的性能和增强它的可靠性等，也都是当前的研究热点。
半导体激光放大器是另一重要的光电子器件。
在光纤通信中使用的半导体激光放大器，一般要求对偏振不灵敏，而通常的半导体激光放大器很难做到这一点，采用大光腔或厚有源区等方法的效果也不很明显。对张应变量子阱激光放大器的理论分析表明，适当的选择张应变大小，可以使张应变量子阱激光放大器做到对偏振不灵敏。
日本K．Magari等于1991年率先在实验上成功地解决了这个问题，他们研制的张应变量子阱激光放大器对TE和TM模光增益的差只有0．5dB。此后，从实验中发现张和压应变交替的量子阱InGaAsP／InP激光放大器也对偏振不灵敏。
应变量子阱结构在探测器上的应用，主要是扩展波长响应范围，例如GaAs的室温带边为0．87μm，与应变量子阱激光器相似。用应变InGaAs／GaAs超晶格结构，已经在GaAs衬底上实现了吸收边为1．05μm的光电探测器。
。【参考文献】：1 Adams A R. Electron. Lett,1986,22:249
2 Yablonovitch E, et al. J Lightwave Technol, 1986,4:504
3 O'Reilly E P,et al. Electron LEtt, 1991,27:1417
4 Wang C A, et al. IEEE J Quantum Electron,1991,27:681
5 Thijs P J A, et al. IOOC-ECOC,1991,31
6 Okamoto M, et al. IEEE J Quantum Electron, 1991,27:1463
7 Maguri K, et al. IEEE Tran Photo Technol Lett, 1991, 3: 998
8 Sugamara M,et al. Appl Phys Lett,1992,60:1842
9 Chen T R.et al. Appl Phys Lett,1992,60:1782
(吉林大学刘式墉教授撰)