inasgaas量子点半导体光放大器理论分析与量子点制备-theoretical analysis and quantum dot fabrication of inas gaas quantum dot semiconductor optical amplifier.docx

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1 绪论
量子点简介
1966 年,A. B. Fowler等人发现金属氧化物半导体场效应管源极和漏极之间的电导在强磁场下随栅极电压呈周期性振荡[1],首次有力地证实了二维电子气的存在,从此拉开了半导体低维结构研究的序幕。上个世纪 70 年代以来,量子阱和超晶格等微结构成为了半导体物理学中最为活跃的研究领域之一。除了半导体量子阱、超晶格以外, 量子线和量子点(QD)的研究也十分引人注目。早在 80 年代初,人们就发现镶嵌在硅玻璃中的半导体纳米晶体对电子、空穴、激子等准粒子表现出三维限制效应[2]。
和体材料、量子阱、量子线不同,量子点是零维量子结构,如图 1-1 所示,在这种结构中,载流子在三个维度方向上都被束缚在与电子德布罗意波长(10nm左右)相比拟的纳米尺度范围内,其强烈的限制作用使得量子点波函数局域化,能级产生分离, 态密度分布成为一系列δ函数,这与原子相类似,所以人们通常也把量子点称为“人工原子”,典型的量子点尺寸大小在十几到几十个纳米左右[3]。
图 1-1 (a)量子阱、量子线、量子点结构及其态密度示意图;(b)自组织量子点形貌图
由于这种纳米尺度的限制作用,量子点表现出明显的量子效应[4], [5]。量子点中的
量子效应大体包括量子限制效应、介电限制效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应[6]。由于这种独特的性质,使半导体量子点在未来各种功能器件的设计和应用中发挥出越来越重要的作用。其中包括以单电子晶体管为主的量子电子器件、以微结构激光器为主的光电子器件等。
在量子电子器件方面,半导体量子点所具有的库仑阻塞与单电子隧穿效应具有潜在的应用前景,如单电子晶体管、电子旋转门器件、室温单电子储存器、以及单电子泵等。另外,80 年代以来,半导体量子点的研究已逐渐成为凝聚态物理学中一个新的热点[7],它不但对凝聚态物理的理论研究起着推动性的作用,也为固体电子学的进一步发展提供了理论基础。
在光电子器件方面,日本东京大学的Y. Arakawa和H. Sakaki最早将量子点技术运用在了半导体激光器的制作中[8]。由于当时工艺水平的限制,真正的量子点还无法制备, 只能通过在量子阱中加上一个很强的磁场,利用带电粒子在磁场中所产生的洛伦兹力将载流子限制在准零维度中。由于量子点所具有的类氢原子光谱有效态密度,使得量子点激光器的增益谱变窄,微分增益大幅提高,调制带宽得到改善。而且由于体积效应,激光器实现粒子数反转所需的载流子数目大大减小,因此可以极大地改善其阈值特性。另外,由于量子点增益谱的对称性,理论上量子点激光器的线宽加强因子有可能降为零,因此可以大幅度地缩小激光器的线宽。
随着金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延等半导体生长技术的发展,人们制造出了各种各样的半导体量子点,无论在理论上还是实验上都大大地促进了量子点的研究和应用。半导体量子点研究的进展无疑会为光电子科学、单电子物理学、凝聚态物理学和低维材料物理学开辟新的发展领域,同时也将对未来新一代量子器件的设计与制造产生革命性的影响。
量子点半导体光放大器的发展概况
随着光通信系统的发展,半导体光放大器(SOA)由于体积小、成本低、便于集成等优点,在全光网络通信中受到广泛的关注[9]。但受限于载流子捕获和带内弛豫时间的影响,传统体材料SOA的增益和相位恢复速率都较慢,在当前越来越追求大容量、高速
率的光信息传输系统中,体现出信号处理速度慢的问题。上世纪90年代,量子阱、超
晶格等低维材料的发展为SOA注入了新的生命力,随着量子限制效应的引入,SOA展现出新的性能和优势。1999年,T. Akiyama和P. Borri分别将量子点引入到SOA有源区, 制作成量子点半导体光放大器(QD-SOA)[10][11],进一步提高了SOA