1 引 言

　　自1970年美國IBM公司的Esaki等提出超晶格概念后，引發了人們對二維（2D）量子阱材料的研究熱潮，對其開展了大量的理論與實驗研究工作，以期能將基于量子機理的效應應用于半導體激光器領域。隨著生長技術的不斷改進，二維量子阱材料的質量和器件的性能都有很大的提高，現在很多量子阱光電器件都實現了商業化。而更低維度的量子線、量子點，由于其特殊的結構，表現出比傳統半導體器件更優越的性能，成為最近研究的熱點。1982年日本東京大學的Arakawa等通過理論計算指出量子點激光器的熱穩定性要比傳統的半導體激光器有很大的提升。1986年Asada等通過理論計算預言量子點結構的閾值電流密度相比二維的量子阱結構將會有顯著的降低，從而有望解決半導體激光器中閾值電流密度過大的問題。

　　所謂的量子點是由少量原子組成的準零維納米結構，原子數目在幾個到幾百個之間，三個維度的尺寸都小于100 nm，電子在三個維度上的運動受限制，量子效應非常顯著。在量子點中，由于量子效應，其載流子的能級類似原子有不連續的能級結構，所以量子點又叫人造原子。這些特殊能級結構，使得準零維量子點表現出獨特的物理性質，如量子尺寸效應、量子隧穿效應、庫侖阻塞效應、表面效應、量子干涉效應、多體相關和非線性光學效應等，它對于基礎物理研究和新型光電器件研究都有很重要的意義。

　　目前獲得準零維量子點材料的方法，主要有外延技術生長法、膠體法和腐蝕法等，其中最常用的是膠體法和外延技術生長法。膠體法通常是指利用金屬的有機或無機物，在催化劑的作用下，經過溶膠而固化形成膠體量子點，形成的膠體量子點在離心力作用下可以涂覆在襯底表面，經過退火處理形成所需納米團簇，點的尺寸與凝膠的時間和退火處理時間有關。該方法制備量子點方法的優點是方法簡單，不需要復雜的儀器設備，成本較低，可以大面積制備納米顆粒；缺點是不易形成高質量晶體顆粒和極易受到空氣中的灰塵污染。而外延技術是獲得自組裝準零維量子點激光器材料最常用的技術，其主要過程是利用當前先進的分子束外延（MBE）、金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）和化學束外延（CBE）等技術通過自組裝生長機理，在特定的生長條件下，在晶格失配的半導體襯底上通過異質外延來實現半導體量子點的生長，當外延材料的生長達到一定厚度后，由于晶格失配導致的應力釋放，外延材料就會形成半導體量子點，其大小與材料的晶格失配度有關。同時通過調控量子點材料生長流程和選擇不同材料體系，能夠實現量子點的能級調節，進而實現激光器發光波長的調節。外延技術是目前獲得高質量半導體量子點比較普遍的方法，其缺點是對半導體量子點的生長都是在高真空或超高真空下進行，使得材料生長成本非常高。

　　2 材料及器件發展瓶頸

　　量子點激光器是以準零維量子點作為增益介質的光電器件，是目前研究的熱點之一，雖然在近些年取得了長足的進步，但其性能與理論預測相比仍有較大的差距，這主要是由于量子點材料制備及其器件結構等還存在如下的發展問題。

　　2.1 材料均勻性問題

　　自組裝半導體量子點材料的生長是在晶格失配襯底材料上通過異質外延實現的，其流程通常是先層狀生長，達到一定的厚度后（浸潤層），由于應力的釋放形成小島，即所謂的“準零維量子點”。量子點的大小與有源層的厚度和晶格失配度有關。雖然量子點的材料增益很大，是實現激光的最佳增益介質材料，但通過自組裝技術生長的量子點一大特點是尺寸分布的不均勻性，使量子點發光峰非均勻展寬，發光峰半寬比較寬，遠大于二維半導體量子阱材料，這樣在激光器的有源區內，實際上只有很少一部分量子點對激光器的發光有貢獻，影響了激光器激射閾值電流密度的進一步減低。因此，如何改變和控制生長條件來獲得尺寸均勻的量子點陣列，成為激光器性能提高的一個瓶頸。

　　2.2 量子點的密度問題

　　作為激光器增益介質材料，量子點的密度也是決定器件性能的一個重要參數，點密度越高，相應光電器件的性能越好，如較大輸出功率、溫度穩定性高、低閾值電流密度和高特征溫度等。通常自組裝生長的準零維量子點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，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材料。另外生長條件對量子點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散，這樣可以提高點的面密度。目前，自組裝生長技術獲得量子點面密度通常在10^10到10^11cm-2之間，相應激光器的性能與商用量子阱激光器還有一定的差距。所以選擇適當的襯底生長晶面和合適的生長條件來提高量子點面密度，使得激光器的性能達到理論預測值也是目前的一個挑戰。

　　2.3 結構設計問題

　　自組裝半導體量子點激光器通常采用雙波導結構，用法布里-珀羅（F-P）腔作為激光增益腔面，波導材料通常是采用寬禁帶的復合半導體材料。為了提高有源區量子點的增益值，通常采用多層量子點結構，每層點之間采用幾十納米厚的材料間隔，以阻止不同層之間的點發生耦合，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生長到量子阱里，這樣被量子點捕獲的電子不容易受到熱散射脫離量子點，提高了激光器的效率。但是對于有源區空穴來說，能級的分離能間隔很小，受到熱散射幾率很大，進而降低光電器件的效率。因此，如何設計有源區結構，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定特性，這些都是當前準零維量子點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點，已成功用于制備II-V族半導體 CdSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、PbS和PbTe量子點材料。與半導體Si和Ge不同，上述這些材料都是直接帶隙半導體材料，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，同時具有很好的穩定性，在發光二極管、量子點激光器、生物系統探針以及光轉換器或調制器等領域有很好的應用前景。在膠體量子點材料中，CdSe、CdSe和ZnS等是目前國際上研究最深入的半導體量子點材料，人們廣泛地討論了其制備方法、發光特性、發光動力學過程和單光子源特性。雖然利用膠體法很容易制備準零維量子點材料，但是在激光器方面，由于很難獲得高質量波導限制層材料和存在大量的非輻射俄歇復合等問題，利用該方法制備的激光器性能還很差，因此如何設計激光器結構和器件制備流程，提高膠體法制備的準零維量子點激光器的性能，仍然是目前的一個挑戰。

　　2.4 波長拓展問題

　　量子點激光器的發光波長與量子點材料體系和尺寸有關，有源區材料禁帶寬度越小和量子點尺寸越大，激光器發射的波長越長。對于III-V族半導體量子點激光器（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%），通過調節量子點尺寸已經獲得高性能的1.3 μm 激光器，甚至已經獲得激射波長接近1.55 μm 的量子點激光器。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很容易實現 1.55 μm ，通過調節InAs的厚度和生長條件，已經實現最長激射波長為1.95 μm 激光器。但是要實現波長更長的量子點激光器，特別是在無線通信和毒氣檢測領域有非常重要應用價值的2~5 μm 量子點激光器，盡管理論上利用InAsSb/InP材料體系的量子點激光器可實現該波段的激光器，但實際中如何自組裝生長InAsSb量子點材料和如何加工成窄脊條的器件也是目前的一個挑戰。
2.5 單模穩定性問題

　　單模激光在工業和在現實生活中都非常重要的應用價值，如毒氣檢測、軍事、生物醫療和原子吸收光譜檢測等領域。對于自組裝生長獲得的準零維量子點激光器，由于尺寸的非均勻性，導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，這限制了其應用范圍。為了獲得其單模激射，科學家發明了外腔，通過在激光器自然腔面外增加光柵，通過光柵選模實現單模激射，該方法的最大好處通過調節光柵的角度，能夠實現大范圍模式調諧，獲得很寬的波長調節。但是該外腔系統受溫度與外界擾動的影響很大，環境溫度改變會影響激光器的波長移動和光柵的周期改變，進而導致激射波長的移動。此外，該系統組成比較復雜，由準零維量子點激光器、溫度控制器、載流子注入系統和光柵組成，要實現波長的穩定和無跳模的調諧，要求上述所有的控制單元必須實現聯動，這也是目前外腔系統發展的一個挑戰。

　　2.6 器件的集成問題

　　激光器集成化有非常重要的應用前傾，目前能夠實現大規模集成基底材料主要是IV族半導體Si和Ge，雖然利用IV族半導體也可是實現激光器，但是由于其本身是間接帶隙半導體，發光效率很低。III-V族半導體材料都是直接帶隙材料，是實現激光器的最佳選擇，缺點是無法像Si和Ge那樣實現大規模的集成。最近幾年，人們試圖把III-V族InAs量子點材料直接生長到Si和Ge襯底上，這樣既利用了III-V族半導體高效率發光的優點，又利用了IV族Si和Ge能夠實現大規模集成化的優點，相關量子點激光器的研究取得一定的成果，實現了1.3 μm 的量子點激光器，但是晶格的失配導致的缺陷限制了激光器的性能，同時，由于Ge和Si的自然解理面與 III-V族半導體GaAs和InAs不同，很難獲得高質量的F-P腔，這些都限制了III-V族半導體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量子點激光器的性能并實現真正的集成化，也是目前準零維量子點激光器發展的一個挑戰。

　　3 結束語

　　由于其特殊的能級結構和態密度，準零維量子點激光器較之傳統半導體激光器表現出了一些特殊的性能。隨著自組裝生長設備的發展和制備技術的不斷改進，近些年準零維量子點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體的材料特性，準零維量子點激光器的發展遇到一些瓶頸。本文簡要地介紹了這些發展瓶頸并作了簡單的討論，希望進一步推動準零維量子點激光器的發展。。（作者：深圳信息職業技術學院電子與通信學院 李世國 王新中 周志文 張衛豐）