1 引 言

　　自1970年美國IBM公司的Esaki等提出超晶格概念后，引發(fā)了人們對二維（2D）量子阱材料的研究熱潮，對其開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，以期能將基于量子機(jī)理的效應(yīng)應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。隨著生長技術(shù)的不斷改進(jìn)，二維量子阱材料的質(zhì)量和器件的性能都有很大的提高，現(xiàn)在很多量子阱光電器件都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。而更低維度的量子線、量子點(diǎn)，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件更優(yōu)越的性能，成為最近研究的熱點(diǎn)。1982年日本東京大學(xué)的Arakawa等通過理論計(jì)算指出量子點(diǎn)激光器的熱穩(wěn)定性要比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器有很大的提升。1986年Asada等通過理論計(jì)算預(yù)言量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的閾值電流密度相比二維的量子阱結(jié)構(gòu)將會(huì)有顯著的降低，從而有望解決半導(dǎo)體激光器中閾值電流密度過大的問題。

　　所謂的量子點(diǎn)是由少量原子組成的準(zhǔn)零維納米結(jié)構(gòu)，原子數(shù)目在幾個(gè)到幾百個(gè)之間，三個(gè)維度的尺寸都小于100 nm，電子在三個(gè)維度上的運(yùn)動(dòng)受限制，量子效應(yīng)非常顯著。在量子點(diǎn)中，由于量子效應(yīng)，其載流子的能級類似原子有不連續(xù)的能級結(jié)構(gòu)，所以量子點(diǎn)又叫人造原子。這些特殊能級結(jié)構(gòu)，使得準(zhǔn)零維量子點(diǎn)表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、多體相關(guān)和非線性光學(xué)效應(yīng)等，它對于基礎(chǔ)物理研究和新型光電器件研究都有很重要的意義。

　　目前獲得準(zhǔn)零維量子點(diǎn)材料的方法，主要有外延技術(shù)生長法、膠體法和腐蝕法等，其中最常用的是膠體法和外延技術(shù)生長法。膠體法通常是指利用金屬的有機(jī)或無機(jī)物，在催化劑的作用下，經(jīng)過溶膠而固化形成膠體量子點(diǎn)，形成的膠體量子點(diǎn)在離心力作用下可以涂覆在襯底表面，經(jīng)過退火處理形成所需納米團(tuán)簇，點(diǎn)的尺寸與凝膠的時(shí)間和退火處理時(shí)間有關(guān)。該方法制備量子點(diǎn)方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，成本較低，可以大面積制備納米顆粒；缺點(diǎn)是不易形成高質(zhì)量晶體顆粒和極易受到空氣中的灰塵污染。而外延技術(shù)是獲得自組裝準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器材料最常用的技術(shù)，其主要過程是利用當(dāng)前先進(jìn)的分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和化學(xué)束外延（CBE）等技術(shù)通過自組裝生長機(jī)理，在特定的生長條件下，在晶格失配的半導(dǎo)體襯底上通過異質(zhì)外延來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長，當(dāng)外延材料的生長達(dá)到一定厚度后，由于晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力釋放，外延材料就會(huì)形成半導(dǎo)體量子點(diǎn)，其大小與材料的晶格失配度有關(guān)。同時(shí)通過調(diào)控量子點(diǎn)材料生長流程和選擇不同材料體系，能夠?qū)崿F(xiàn)量子點(diǎn)的能級調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光器發(fā)光波長的調(diào)節(jié)。外延技術(shù)是目前獲得高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點(diǎn)比較普遍的方法，其缺點(diǎn)是對半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長都是在高真空或超高真空下進(jìn)行，使得材料生長成本非常高。

　　2 材料及器件發(fā)展瓶頸

　　量子點(diǎn)激光器是以準(zhǔn)零維量子點(diǎn)作為增益介質(zhì)的光電器件，是目前研究的熱點(diǎn)之一，雖然在近些年取得了長足的進(jìn)步，但其性能與理論預(yù)測相比仍有較大的差距，這主要是由于量子點(diǎn)材料制備及其器件結(jié)構(gòu)等還存在如下的發(fā)展問題。

　　2.1 材料均勻性問題

　　自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的生長是在晶格失配襯底材料上通過異質(zhì)外延實(shí)現(xiàn)的，其流程通常是先層狀生長，達(dá)到一定的厚度后（浸潤層），由于應(yīng)力的釋放形成小島，即所謂的“準(zhǔn)零維量子點(diǎn)”。量子點(diǎn)的大小與有源層的厚度和晶格失配度有關(guān)。雖然量子點(diǎn)的材料增益很大，是實(shí)現(xiàn)激光的最佳增益介質(zhì)材料，但通過自組裝技術(shù)生長的量子點(diǎn)一大特點(diǎn)是尺寸分布的不均勻性，使量子點(diǎn)發(fā)光峰非均勻展寬，發(fā)光峰半寬比較寬，遠(yuǎn)大于二維半導(dǎo)體量子阱材料，這樣在激光器的有源區(qū)內(nèi)，實(shí)際上只有很少一部分量子點(diǎn)對激光器的發(fā)光有貢獻(xiàn)，影響了激光器激射閾值電流密度的進(jìn)一步減低。因此，如何改變和控制生長條件來獲得尺寸均勻的量子點(diǎn)陣列，成為激光器性能提高的一個(gè)瓶頸。

　　2.2 量子點(diǎn)的密度問題

　　作為激光器增益介質(zhì)材料，量子點(diǎn)的密度也是決定器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，點(diǎn)密度越高，相應(yīng)光電器件的性能越好，如較大輸出功率、溫度穩(wěn)定性高、低閾值電流密度和高特征溫度等。通常自組裝生長的準(zhǔn)零維量子點(diǎn)密度與襯底生長界面的成核密度、生長溫度、生長速率和材料體系有關(guān)，在襯底成核密度高的晶面生長相對容易獲得高密度的量子點(diǎn)材料。另外生長條件對量子點(diǎn)的密度影響也非常大，合適的生長條件是盡量減少沉淀的原子在生長表面的擴(kuò)散，這樣可以提高點(diǎn)的面密度。目前，自組裝生長技術(shù)獲得量子點(diǎn)面密度通常在10^10到10^11cm-2之間，相應(yīng)激光器的性能與商用量子阱激光器還有一定的差距。所以選擇適當(dāng)?shù)囊r底生長晶面和合適的生長條件來提高量子點(diǎn)面密度，使得激光器的性能達(dá)到理論預(yù)測值也是目前的一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

　　自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器通常采用雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用法布里-珀羅（F-P）腔作為激光增益腔面，波導(dǎo)材料通常是采用寬禁帶的復(fù)合半導(dǎo)體材料。為了提高有源區(qū)量子點(diǎn)的增益值，通常采用多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，每層點(diǎn)之間采用幾十納米厚的材料間隔，以阻止不同層之間的點(diǎn)發(fā)生耦合，影響激光器的效率。為了增加對載流子的限制，常用的辦法是把量子點(diǎn)生長到量子阱里，這樣被量子點(diǎn)捕獲的電子不容易受到熱散射脫離量子點(diǎn)，提高了激光器的效率。但是對于有源區(qū)空穴來說，能級的分離能間隔很小，受到熱散射幾率很大，進(jìn)而降低光電器件的效率。因此，如何設(shè)計(jì)有源區(qū)結(jié)構(gòu)，減少出光面對光的損耗，降低熱對載流子的散射，提高激光器的溫度穩(wěn)定特性，這些都是當(dāng)前準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器性能提高面臨的問題。

　　膠體法具有成本低、方法簡單和容易操控等優(yōu)點(diǎn)，已成功用于制備II-V族半導(dǎo)體 CdSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、PbS和PbTe量子點(diǎn)材料。與半導(dǎo)體Si和Ge不同，上述這些材料都是直接帶隙半導(dǎo)體材料，不僅有高的熒光效率，而且熒光波長能覆蓋從紫外到紅外的范圍，同時(shí)具有很好的穩(wěn)定性，在發(fā)光二極管、量子點(diǎn)激光器、生物系統(tǒng)探針以及光轉(zhuǎn)換器或調(diào)制器等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。在膠體量子點(diǎn)材料中，CdSe、CdSe和ZnS等是目前國際上研究最深入的半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料，人們廣泛地討論了其制備方法、發(fā)光特性、發(fā)光動(dòng)力學(xué)過程和單光子源特性。雖然利用膠體法很容易制備準(zhǔn)零維量子點(diǎn)材料，但是在激光器方面，由于很難獲得高質(zhì)量波導(dǎo)限制層材料和存在大量的非輻射俄歇復(fù)合等問題，利用該方法制備的激光器性能還很差，因此如何設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu)和器件制備流程，提高膠體法制備的準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器的性能，仍然是目前的一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　2.4 波長拓展問題

　　量子點(diǎn)激光器的發(fā)光波長與量子點(diǎn)材料體系和尺寸有關(guān)，有源區(qū)材料禁帶寬度越小和量子點(diǎn)尺寸越大，激光器發(fā)射的波長越長。對于III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器（主要集中在GaAs材料體系和InP材料體系），目前研究最多的是波長在通信波段的1.3 μm 和1.55 μm 激光器。在GaAs材料體系中， InAs和GaAs的晶格失配度大（7%），通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)尺寸已經(jīng)獲得高性能的1.3 μm 激光器，甚至已經(jīng)獲得激射波長接近1.55 μm 的量子點(diǎn)激光器。而在InP材料體系中，由于InAs與InP的材料的晶格失配度小(3%)，在InP上生長 InAs很容易實(shí)現(xiàn) 1.55 μm ，通過調(diào)節(jié)InAs的厚度和生長條件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最長激射波長為1.95 μm 激光器。但是要實(shí)現(xiàn)波長更長的量子點(diǎn)激光器，特別是在無線通信和毒氣檢測領(lǐng)域有非常重要應(yīng)用價(jià)值的2~5 μm 量子點(diǎn)激光器，盡管理論上利用InAsSb/InP材料體系的量子點(diǎn)激光器可實(shí)現(xiàn)該波段的激光器，但實(shí)際中如何自組裝生長InAsSb量子點(diǎn)材料和如何加工成窄脊條的器件也是目前的一個(gè)挑戰(zhàn)。
2.5 單模穩(wěn)定性問題

　　單模激光在工業(yè)和在現(xiàn)實(shí)生活中都非常重要的應(yīng)用價(jià)值，如毒氣檢測、軍事、生物醫(yī)療和原子吸收光譜檢測等領(lǐng)域。對于自組裝生長獲得的準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器，由于尺寸的非均勻性，導(dǎo)致激光器的光譜都是多模激射，即使縮短器件的腔長也很難獲得單模激光器，這限制了其應(yīng)用范圍。為了獲得其單模激射，科學(xué)家發(fā)明了外腔，通過在激光器自然腔面外增加光柵，通過光柵選模實(shí)現(xiàn)單模激射，該方法的最大好處通過調(diào)節(jié)光柵的角度，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍模式調(diào)諧，獲得很寬的波長調(diào)節(jié)。但是該外腔系統(tǒng)受溫度與外界擾動(dòng)的影響很大，環(huán)境溫度改變會(huì)影響激光器的波長移動(dòng)和光柵的周期改變，進(jìn)而導(dǎo)致激射波長的移動(dòng)。此外，該系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，由準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器、溫度控制器、載流子注入系統(tǒng)和光柵組成，要實(shí)現(xiàn)波長的穩(wěn)定和無跳模的調(diào)諧，要求上述所有的控制單元必須實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，這也是目前外腔系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　2.6 器件的集成問題

　　激光器集成化有非常重要的應(yīng)用前傾，目前能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成基底材料主要是IV族半導(dǎo)體Si和Ge，雖然利用IV族半導(dǎo)體也可是實(shí)現(xiàn)激光器，但是由于其本身是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率很低。III-V族半導(dǎo)體材料都是直接帶隙材料，是實(shí)現(xiàn)激光器的最佳選擇，缺點(diǎn)是無法像Si和Ge那樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的集成。最近幾年，人們試圖把III-V族InAs量子點(diǎn)材料直接生長到Si和Ge襯底上，這樣既利用了III-V族半導(dǎo)體高效率發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)，又利用了IV族Si和Ge能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成化的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)量子點(diǎn)激光器的研究取得一定的成果，實(shí)現(xiàn)了1.3 μm 的量子點(diǎn)激光器，但是晶格的失配導(dǎo)致的缺陷限制了激光器的性能，同時(shí)，由于Ge和Si的自然解理面與 III-V族半導(dǎo)體GaAs和InAs不同，很難獲得高質(zhì)量的F-P腔，這些都限制了III-V族半導(dǎo)體InAs和IV族Ge和Si激光器集成。因此，如何提高Ge和Si襯底上InAs量子點(diǎn)激光器的性能并實(shí)現(xiàn)真正的集成化，也是目前準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　3 結(jié)束語

　　由于其特殊的能級結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器較之傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器表現(xiàn)出了一些特殊的性能。隨著自組裝生長設(shè)備的發(fā)展和制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，近些年準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器的性能獲得了很大的提高。但是，由于其特殊的制備過程和半導(dǎo)體的材料特性，準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器的發(fā)展遇到一些瓶頸。本文簡要地介紹了這些發(fā)展瓶頸并作了簡單的討論，希望進(jìn)一步推動(dòng)準(zhǔn)零維量子點(diǎn)激光器的發(fā)展。。（作者：深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院 李世國 王新中 周志文 張衛(wèi)豐）