我國量子點激光器研究現狀分析

時間:2014-10-15 13:47來源:中科院作者:yeyan 點擊:
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摘要:半導體量子點材料是一種人工設計、制造的新型半導體材料,載流子在三個空間方向上的運動都受到約束,具有很強的三維量子限制效應,體現出明顯的量子隧穿、量子干涉、庫侖阻塞、非線性光學等效應,是新一代固態量子器件的物理基礎,在納米電子學、光電子學和新一代超大規模集成電路等方面有極重要的應用前景。

關鍵字:激光,激光器,量子點激光器

  半導體量子點材料是一種人工設計、制造的新型半導體材料,載流子在三個空間方向上的運動都受到約束,具有很強的三維量子限制效應,體現出明顯的量子隧穿、量子干涉、庫侖阻塞、非線性光學等效應,是新一代固態量子器件的物理基礎,在納米電子學、光電子學和新一代超大規模集成電路等方面有極重要的應用前景。

  量子點激光器(QDLD)具有分立的態密度函數,因此有著比傳統的量子阱激光器(QWLD)更加優越的性能,如超低閾值電流密度(£2A/cm2,比QWLD低一個量級以上)、超高閾值電流溫度穩定性、超高微分增益(比QWLD高一個量級以上)、極高的調制帶寬和在直流電流調制下無波長漂移工作、對襯底缺陷不敏感等。這些特性將使半導體激光器的性能有一個大的飛躍,有力地推動激光物理學科的發展,開辟半導體激光器制造的新方向,并有可能成為21世紀光電子技術產業的支柱之一。

  980nm量子點激光器可廣泛應用于大功率光纖放大泵浦源、激光手術刀、材料加工和防偽檢測等領域;1.3 mm、1.55mm和可見光的單模量子點激光器在大容量光纖通信,高速光計算、光互聯和信息處理等許多方面都有極其重要的應用前景。量子點激光器已成為目前國際上前沿研究的熱點和重點方向之一。

  該項目在自組織量子點、量子線材料的可控生長和器件應用方面取得了多項突破性進展:

  (一) 研制成功In(Ga)As/GaAs、InAlAs/AlGaAs/GaAs和InAs/InAlAs/InP等一系列高質量的自組織量子點和量子線材料

  通過對所選材料體系應變分布的設計(高指數面襯底、特殊設計的緩沖層和種子層誘導作用等)、生長動力學控制(生長溫度、生長速率等)和優化生長工藝(多層垂直耦合量子點層數、隔離層的厚度和量子點的組分等),在原子、分子水平上初步實現了對量子點尺寸、形狀、密度和分布有序性的控制,量子點材料的性能達到了國際先進水平。

  (二) 研制成功當時國際領先水平的大功率量子點激光材料和器件

  (1) 優化設計了有自己特色的量子點激光器的能帶結構,使所研制的~980nm量子點激光器的閾值電流密度、輸出功率和工作壽命等綜合性能達到國際領先水平;

  (2) 創新性地設計了InAs/InGaAs/GaAs三層垂直耦合量子點復合結構,作為大功率量子點激光器的有源區,有效地提高了量子點的發光效率,并使量子點均勻性達到國際最好水平;

  (3) 首次采用退火來精確控制量子點激光器的輸出波長,提高了成品率;

  (4) 所研制的大功率量子點激光器室溫連續工作最大輸出功率3.618W(未鍍膜器件雙面光功率之和),最低閾值電流密度218A/cm2,激射波長940~1080nm;0.61W工作壽命超過3760小時;用上述器件研制出室溫連續輸出功率達到10W的大功率量子點激光器光纖耦合???。

  (三) 研制成功當時國際最好水平的InAlAs/AlGaAs紅光量子點激光器

  (1) 通過優化結構和生長條件,克服了高Al含量帶來的困難,研制出高質量的InAlAs紅光量子點材料,并研制出以多層耦合InAlAs/AlGaAs量子點結構為有源區的紅光量子點激光材料及器件;

  (2) 所研制的紅光量子點激光器在220K溫度下實現了連續激射,波長750nm,閾值電流密度420A/cm2。當時國外已發表的最好結果是:80K連續激射,波長707nm,閾值電流密度729A/cm2。

  (四) InAs/InAlAs/InP斜對準量子線超晶格研究獲得突破

  在國際上首次發現InAs/InAlAs/InP斜對準量子線超晶格及其生成規律,并給予了合理的理論解釋,引起國內外同行的關注,被綜述文章大段引用。斜對準量子線超晶格對偏振和多模特性的量子線激光器的研制和一維電子輸運研究有重要意義。

  (五) 提出了耦合量子點中載流子有效弛豫和激子熱發射的新模型

  從實驗上揭示InAs量子點發光的獨特溫度特性,首次從理論上提出了耦合量子點的概念和描述局域在InAs量子點內的載流子間熱弛豫、熱激發和輸運過程的新物理模型,得到國際同行的廣泛關注、大量引用和高度評價,并成功地用于解釋其他材料體系的實驗結果。單篇論文(PRB,1996)被他人引用達55次以上。

  (六) 論文發表、收錄及引用

  從1994年至2000年,該項目在國際核心期刊和國際會議、國內一級期刊上發表學術論文超過100余篇,其中被SCI收錄的94篇,EI收錄的45篇。

  其中的50篇論文被引用286次以上,其中他引181次(包括專著等引用3次)。

  該項目所研制的~980nm量子點激光器的閾值電流密度低、輸出功率大、工作壽命長,綜合性能尤其是在可靠性、實用性方面處于當時國際領先水平,初步實現了從實驗室原型器件到實用器件的轉化,可應用于光纖放大器泵浦源、激光手術刀、材料加工等領域;所研制的1.3mm量子點激光器材料室溫光致發光譜半高寬最窄可達19.2meV,為當時國際領先水平,可望得到高性能的GaAs基1.3mm量子點激光器,用作光纖通信的高質量光源。

  量子點激光器的研制、開發和推廣、應用對促進我國光電子、信息高新技術產業的發展,在高起點上參與光電子行業的國際競爭,增強國民經濟和國防實力,具有重要意義。在該項目的基礎上,研究人員繼續獲得了國家973、863、自然科學基金重大項目的支持,開展了更深入、廣泛的研究工作,取得了更加豐富的成果。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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