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量子阱


量子阱
​一般半导体激光器有源层厚度约为0.1-0.3um,当有源层厚度减薄到玻尔半径或德布罗意波长数量级时,就出现量子尺寸效应,这时载流子被限制在有源层构成的势阱内,该势阱称为量子阱。量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。

​一、量子阱指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限域效应的电子或空穴的势阱。量子阱器件,即指采用量子阱材料作为有源区的光电子器件。


半导体是具有带隙的,因此就可以用来发出激光。

实用的激光器具有三个要素:泵浦源、工作物质、谐振腔。泵浦源就像电源一样,给工作物质能量让他去发出激光;谐振腔让激光叠加在一起,得到更高功率的光;但是,核心还是工作物质——能够实现粒子数反转的能级结构。

必须要能够实现粒子数反转,是因为激光是属于受激辐射,但存在其他的跃迁过程(自发辐射、弛豫等),只有受激辐射的过程足够多,才能表现出激光。

为了实现粒子数反转,常见的能级结构是三能级结构。这是因为可以控制能级之间的各种过程。

比如,实现激光。通过泵浦源将电子从低能级泵浦到高能级上;电子在高能级不稳定,通过添加一个较为稳定的中能级,让电子停在中能级上;等电子够多了,一次性受激辐射下来,发出的光就很强了;在谐振腔的作用下,不断放大,就是受激辐射放大的光——激光。

构建三能级结构有两种方式:

1).调节材料的微观结构:掺杂。

半导体本来具有带隙,就是低能级加高能级;那只需要加一个稳定的,能留住电子的中能级就行,找一种杂质的能级加上去。杂质的选择,这个就要看具体情况了。

2).调节材料的宏观结构:量子阱。

二、量子阱

选择两种能级不同的半导体,连在一起,这样交界处(所谓的结)的能级就至少有三个了。而如果高能级+中能级+高能级的组合,这就是顶部量子阱:中能级就是井底,中能级和高能级的差距是势垒(barrier)。多重复叠几层不同的材料,就是多量子阱了。

量子阱的构造 :

量子阱器件的基本结构是两块N型GaAs附于两端,而中间有一个薄层,这个薄层的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成。在未加偏压时,各个区域的势能与中间的GaAs对应的区域形成了一个势阱,故称为量子阱。电子的运动路径是从左边的N型区(发射极)进入右边的N型区(集电极),中间必须通过AlGaAs层进入量子阱,然后再穿透另一层AlGaAs。

如果材料尺寸足够薄,量子阱之间能够耦合到一起(电子就可以随意越过势垒),这种特殊情况叫做超晶格。

高质量的量子阱样品都是用分子束外延或金属有机化学汽相沉淀方法外延生长两种不同的材料而成的。

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