量子點激光器的由來
近年來半導體材料主要朝兩個方向發(fā)展：一方面不斷探索擴展新的半導體材料，即所謂材料工程；另一方面又逐步從高維到低維深入研究己知材料體系，這就是能帶工程。
1970年美國IBM 公司的L. Esaki 和R. Tsu提出超晶格概念，由此引發(fā)二維量子阱材料的研究熱潮。自從量子阱結構問世以來，各國科研人員進行了大量的理論研究工作以期能將基于量子機理的效應應用于半導體激光器領域，繼而將興趣投向了更低維度的量子線、量子點。1982年東京大學的Arakawa 和Sakaki通過理論計算指出量子點激光器的熱穩(wěn)定性要比傳統的半導體激光器有很大的提升。1986年Asada通過理論計算預言量子點結構的閾值電流密度相比一維的量子阱結構將會有顯著的降低，從而解決半導體激光器中閾值電流密度過大的問題。
80年代中期，隨著半導體外延技術（如MOCVD、MBE等）的發(fā)展，對半導體薄膜材料實現精確控制生長己成為可能，獲得了高質量的二維限制量子阱及超晶格材料。用這些二維限制異質結材料制成的光電器件，如激光器、探測器的性能得到迅猛的提高，并迅速進入市場，得到廣泛的應用。二維量子阱材料帶來的巨大成功促使實驗研究人員繼續(xù)在更多維度上對電子運動進行限制，開展了量子線及量子點的實驗研究。
1994年N. Kirstaedter和N. N. Ledentsov報道了世界上第一只邊發(fā)射的自組織量子點激光器。他們將單層InGaAS/GaAs自組織量子點插入梯度折射率分別限制異質結構量子阱激光器結構中，代替原來的量子阱充當有源介質，實現了77K 溫度下120A/cm2 的低閾值電流密度。1994年以來，量子點激光器領域更是取得了突飛猛進的發(fā)展，其低閾值電流密度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等各種迷人的優(yōu)點吸引了越來越多的實驗室和科研單位進入到這個領域。

什么是理想量子點激光器
如果某種半導體晶體在三個空間維度上的尺寸大小均與載流子在該材料中的德布羅意波長或電子的平均自由程相當或更小，而同時該晶體又被禁帶寬度更大的壘層材料所包圍，這就構成了量子點結構。典型的量子點尺寸大小在10nm 左右，約包含104個原子，屬于納米材料的范疇。
理論分析表明，量子點中載流子在材料中的運動受到三維限制，也就是說電子的能量在三個維度上都是量子化的。量子點具有類似于原子的分立能級，這使它的性質遠比量子阱和量子線更為獨特，各種量子化效應，諸如量子尺寸效應、量子干涉效應、量子隧穿效應和庫侖阻塞效應等，更加顯著。這些效應直接影響量子點的電子結構、輸運和光學等各種物理性質，在新一代的量子器件中有十分誘人的應用前景。

量子點激光器的發(fā)展
1996-1997年是量子點激光器研制迅速發(fā)展的兩年，國際上包括中國在內有眾多的研究小組加入到量子點激光器的研制行列，極大地促進了量子點激光器的研究發(fā)展。為了實現量子點激光器的基態(tài)激射，人們在優(yōu)化生長工藝條件的基礎上，使量子點的尺寸、形狀的均勻性得到了明顯改善。
近年來隨著研究的深入，實際制作的量子點激光器的閾值電流密度己經遠遠低于傳統激光器以及量子阱激光器。1996年N. N. Ledelltsov采用10層In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子點超晶格結構為量子點激光器的有源區(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量子點激光器。到目前為止，端面鍍有高質量增反膜（HR Coating）的量子點激光器閾值電流密度可以達到10-20A/cm2 ，比最好的量子阱激光器低2-4倍。將多層量子點作為有源區(qū)的激光器中，每層量子點的閾值電流密度甚至低達7-10A/cm2。
溫度穩(wěn)定性方面,1994年，在Kirstaedter報道的第一個電泵浦量子點激光器雖然在低溫（150-180K）表現了較好的溫度穩(wěn)定性，但在室溫下閾值電流密度的熱穩(wěn)定性卻比商業(yè)的GaAs量子阱器件差。1997年，Maximov等將量子點置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子點中載流子的逸出勢壘高度增加，大大降低了載流子的逸出幾率，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385K，遠遠高于量子阱激光器的特征溫度，但提高T0的同時卻帶來了閾值電流密度的大幅提升。1999年Shernyakov報道了世界上第一只在室溫（低于40℃）下同時具有高特征溫度T0 (160K）和低閾值電流密度Jth（65A/cm2 ，三層量子點陣列）的GaAs基量子點激光器，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60-70K ，最低的閾值電流密度Jth為300-400A/cm2。
理想的量子點激光器量子點的尺寸和形狀相同，即量子點應只有單一電子能級和空穴能級，很容易實現單模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低溫下稍高于閾值電流密度情況下（< 1.l×Jth）就觀察到了單模工作。而相比之下，量子阱激光器只有遠高于閾值電流密度的情況下才能實現單模工作。
2004年在斯德哥爾摩舉行的歐洲光通訊會議（ECOC 2004）上東京大學和富士通報道，試制成功了工作在1.3μm波長、可將溫度導致的光功率變動幅度控制到原來1/6左右的量子點激光器。在20-70℃范圍內，不需調整電流對溫度導致的光功率變動進行補償就能穩(wěn)定地發(fā)送10Gbit/s的光信號。由于不需要溫度補償的外部電路，因此有利于降低光發(fā)送器的體積和生產成本。該研究小組目前正試圖將該激光器免調整操作的溫度范圍擴展至0-85℃，并預計在2007年能將其應用在商業(yè)上。這項重大進展有助于實現小型、低價位和低功率的消費性光信號發(fā)射器，城域及高速光學局域網絡可望因此而受惠。
在國內，中國科學院半導體研究所承擔的GaAS 基近紅外波段半導體光電子材料生長和激光器研究項目也已經獲得重要突破：成功制備了GaAS 基InAS 自組織量子點邊發(fā)射激光器，激射波長1.33μm，室溫連續(xù)工作。這是迄今為止國內首次成功制備GaAs基長波長激光器。 

量子點激光器的未來
量子點激光器的研制在近幾年內取得了長足進步，已經向傳統半導體激光器開始了強有力的挑戰(zhàn)，但其性能與理論預測相比仍有較大的差距。進一步提高量子點激光器的性能，必須解決以下幾個問題：
(l) 如何生長尺寸均勻的量子點陣列。雖然量子點的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均勻性，使量子點發(fā)光峰非均勻展寬，發(fā)光峰半寬比較寬，遠大于量子阱材料（meV）。實際上只有很少一部分量子點對激光器的發(fā)光有貢獻，限制了光增益，影響了激光器激射閾值的進一步降低；
(2) 如何增加量子點的面密度和體密度，盡可能提高量子點材料的增益；
(3) 如何優(yōu)化量子點激光器的結構設計，使其有利于量子點對載流子的俘獲和束縛；
(4) 如何通過控制量子點的尺寸或者選擇新的材料體系，拓寬量子點激光器的激射波長工作范圍，爭取覆蓋WDM網絡中的1.4-1.6μm波段。

作者 陳鵬，中科院半導體所