半导体激光器是我们所熟识的很多日常用具的关键部件，光纤通讯和袖珍光盘播放器也许是两个最有说服力的例子。为了提高这些设备的性能，全世界在努力研制和开发更小、更亮、效率更高或可在新的波长下工作的半导体激光器。一类新型半导体激光器——量子点激光器在上述这些方面展示出巨大的前途。

当半导体导带中的一个电子与价带中的一个空电子态或称“空穴”相复合时，半导体激光器就会有激光输出，输出光的波长通常由半导体的能隙即价带顶与导带底的能量差决定。例如，磷化镓铟的能隙为1.9电子伏，这将导致红光发射。

能隙决定着半导体的大多数有用性能，它起因于电子波穿过晶体时的量子效应。量子力学禁止电子在能隙中具有能量。

在大块半导体材料，例如硅或砷化镓中，导带中的电子类似于自由电子，具有连续的动量和能量。但当电子的运动在一维或多维上受到限制时，情况将发生显著变化。如果电子被限制在一个足够小的区域内，它们的能量将被量子化，类似于原子的能级。制造这种模拟原子或“量子点”的一种方法是这样的：把一小块半导体用另一块具有较大能隙的半导体包裹起来，当电子降低能量时就会被有效地束缚在具有较小能隙的小区域内。

在一种简化的模型中，束缚位势可被看作是一个方势阱。在这种模型中，分立能级的间距与量子点的尺寸成反比。为了使“量子阱”的能级与室温下的热能区分开，量子点的线度必须为10纳米或者更小，这样的量子点只包含几千个原子，能发射波长由量子点的能级决定而不是能隙能量决定的光波。

但是，有多种过程阻止半导体产生光辐射，例如：杂质原子能够俘获载流子，进而阻止复合过程的发生；电子和空穴还可直接发射声子而不互相复合发射光子。为了克服这些问题，量子点的表面必须被“钝化”，也就是说，能隙小的材料必须完全被埋置在没有任何晶体缺陷和杂质的阻挡材料中。

量子点被广泛用在探测半导体的基本量子效应的实验中，它们还具有许多其它方面的潜在应用，其中最诱人的是单电子晶体管和量子点激光器，后者为改进半导体激光器件的性能和提高波长调节范围提供了可能性。

早期的工作

自从1962年被发明以来，半导体激光器取得了飞速发展。第一台半导体激光器由一个加有正向偏压的砷化镓p-n节组成，电子和空穴在正掺杂区（p区）与负掺杂区（n区）之间的耗尽区内发生复合。垂直于节区的被抛光的表面被用作产生激光所需的谐振腔。

人们通过把处于一个“异型结构”装置中的砷化铝镓层中铺加一层砷化镓层，使早期的半导体激光器的性能大大地提高了。半导体激光器的性能得以提高是由于以下两方面原因：首先，砷化铝镓的能隙大于砷化镓的能隙，因此有助于把载流子约束在激活层内；其次，砷化铝镓的折射率小于砷化镓的折射率，因此可把光限制在激活层内，使激活层具有波导的作用。1970年，这一原理导致了可在室温下连续运作的砷化镓/砷化铝镓异型激光器的诞生。

半导体激光器的一个重要的性能指数是发射激光所需要的电流密度值，这一数值应尽可能地低。1975年，人们成功地在厚度为0.1微米的激活层内获得了大约为500A/cm²的阈值电流密度。从此，半导体激光器开始了在光学数据传输等方面的实际应用。

1974年，美国贝尔实验室的雷曼德 · 丁格（Raymond Dingle）首次阐明了载流子的量子约束效应。1979年，贝尔实验室的另一位科学家Wen-Tien Tsang率先制成了基于量子约束效应的半导体激光器。Wen-Tien Tsang的激光器的激活区大约只有0.01微米厚，因此载流子只能作二维自由运动，这种激光器实质上是一种量子阱激光器。量子阱激光器与以前的半导体激光器相比具有三个方面的优点：足够大的光放大或称“光学增益”；更低的阈值电流密度（低于50A/cm²）和显著提高的温度稳定性。之所以有这些优点，是因为与大块半导体相比，量子阱器件中电子和空穴所占据的态的能级宽度缩小了。

80年代后期，从量子阱激光器向量子线激光器发展的阶段到来了。在量子线激光器中，载流子只能在一个方向上运动，这大大地提高了光学增益，减小了阈值电流密度（减小到小于10A/cm²），并且提高了温度稳定性。

1986年，日本东京工业大学的麻田正彦及其合作者基于东京大学的荒川康弘的早期工作，预言激活区由大量尺寸相同的量子点组成的量子点激光器会有更优良的性能。量子点可限制电子在空间中所有三个方向上的运动。

量子点的分立能谱可允许在不同的特定能量下发射激光。激光器要产生激光必须要满足两个条件，即粒子数反转和光学增益大于损耗。另外，激光的产生还要依靠受激辐射，在这一过程中，一个具有给定频率的光子会产生另一个具有相同频率的待发射光子。在激光二极管中，只有那些处于导带最底部并与价带最顶部的空穴相复合的电子才对受激辐射有贡献。由于量子点上的电子态挤在分立的跃迁能级上，因此只需要很少的载流子就能实现粒子数反转，致使量子点激光器的阈值电流会低于现存的激光二极管的阈值电流。

与普通的半导体激光器相比，量子点激光器的温度稳定性也相应提高。对于普通的半导体激光器，能量展宽通常导致阈值电流随温度的改变而发生显著的变化。然而，对于量子点激光器，分立能谱和大的能级间隔几乎消除了阈值电流与温度的任何依赖关系。

制造量子点

制造量子点激光器的难点在于如何以一种有效并且可重复的方式制造线度为10纳米的半导体结构单元，需要有大量的点状结构，并且要求它们的尺寸和光学性能必须相同。然而，常规的基于金属版印刷术和蚀刻法的半导体生产工艺面临着固有的问题，例如分辨率极限、制造过程中引人的表面缺陷等。

在过去的几年中，有几个研究小组把分子束外延法或化学蒸汽沉积法等外延生长技术与金属版印刷术相结合，研究了包括量子点在内的多种半导体毫微结构。在量子点材料沉积之前，先利用普通金属版印刷术在基质表面产生一定的图样，再利用外延生长使刻有图样的基质表面形成刃形凸起或V字形凹槽，量子点或量子线随后就会以自动调整的方式形成。

当半导体沉积在一种由晶格常数较之明显小的材料制成的基质上时，会形成“半导体岛”，人们根据这一现象提出了一种更为简单的制造量子点的方法，这种方法被称为Stranski-Krastanov生长法，人们利用该方法已经制成了横向范围只有几个原子大小的量子点。重要的一点是，在自动调整过程中量子点结构的尺寸被控制在外延沉积物的尺寸范围以内。对于最初的几个原子层，原子把它们自己排布到一个叫润湿层的平面层中去，随着外延生长的进行，这些原子会聚拢到一起，进而形成团簇。团簇的形成是能量使然，因为晶格能弹性地缓解压力应变，并因此降低了岛结构中的应变能。

在被称为“假晶生长”的交替生长法中，表层半导体被横向压缩以使其晶格与基质晶格相匹配，随着生长的进行，表层会自动引入横向应力。

为了弄清这些技术的工作原理，我们来考察一下磷化铟在磷化镓铟上的生长。磷化镓铟与砷化镓具有相同的晶格常数，因此在砷化镓基质上可生长出质量良好的磷化镓铟层。然而，磷化铟的晶格常数要比砷化镓的晶格常数大4%，在优化的分子束外延生长条件下，当沉积出一层半或更多的磷化铟单分子层后，无缺陷团簇或量子点就会随之生成。例如，当沉积出三层标准分子层后，我们就会在润湿层上部观察到团簇。每平方厘米大约有5x10¹⁰个量子点，它们在一直出现于表面上的“原子台阶”上优先集结成核，这些量子点形成直径约为15纳米、高约3纳米的截头金字塔形。令人高兴的是，这些量子点的尺寸相互仅仅偏离10%，这对制造量子点激光器来说是非常重要的。磷化铟量子点生成以后，还需再镀上一层磷化镓铟用以钝化量子点。

量子点的尺寸强烈地依赖于沉积的量子点的数量。由于量子点的能级依赖于量子点的尺寸，因此发射的光波的波长也依赖于量子点的尺寸。大块的磷化烟具有135电子伏的能隙，其相应的波长为1微米。在磷化镓烟上生长两层磷化铟可以制成直径大约为12纳米的量子点，而生长七层磷化铟所制成的量子点的直径为50纳米。直径为12纳米的量子点的能级偏移为1.85电子伏，对应于红光辐射。直径为50纳米的较大的量子点的能级移动较小（1.65电子伏），可产生红外光输出。能量的增加起因于载流子的约束以及量子点的应力。但一旦所生成的磷化铟分子层超过七层时，就会引人大量的晶格位错，减弱输出光。

通过改变生长条件也可在一定范围内调节量子点的尺寸。例如，量子点材料的沉积和保护层的生长之间的延续中断会导致产生点密度较低、体积较大的量子点，即在中断期间较小的量子点消失而较大的量子点却能较快地生长。当沉积速率很慢时也会有同样的情况发生。较大的团簇更符合能量最低原理，因为在大量子点上部应力较小。但是，短波长激光器需要小的量子点，这些小的量子点可通过保持短的生长中断期来制成，短波长激光器的这一需要缩小了量子点的尺寸范围。

利用量子点的自动组装能力可在不需要金属版印刷术和蚀刻法的情况下把极小的量子点排列成规则的阵列，自动组装能力是制造量子点激光器的非常有前景的技术。

激光的产生

为了制造量子点激光器，我们需要在激活区各有排列紧密的、具有同样尺寸的量子点，在激活区的每个端面上还需要各有一个镜子，用以形成一个激光谐振腔。辐射出的激光的能量正比于量子点材料的能隙和应变能，而反比于量子点的尺寸。量子点中的电子和空穴可利用光激励或电激励来产生。

1995年，由作者领导的斯图加特马克 · 普朗克（Max Plank）研究所中的一个研究组与斯图加特大学的安德里斯 · 汉格雷特（Andreas Hangleiter）研究组合作，观察到了室温下从一台光激励磷化铟贵子点激光器发射出的可见波段激光。这一过程中的电子——空穴对是由聚焦到激活层上的绿光产生的，我们在激光器的镜面上观察到了红色的激光。这台激光器的阈值电流与在类似实验配置下的磷化镓铟/磷化铝镓铟量子阱激光器的阈值电流大致相当。

也是在1995年，德国柏林工业大学的迪特 · 贝姆伯格（Dieter Bimberg）研究组与A.F.艾奥佛物理技术研究所的研究者演示了电激励量子点激光器在室温下的运作。这一器件由紧密叠置在一起的砷化铟量子点层组成，能发射紫外激光。贝姆伯格与合作者还在液氮温区成功地获得了与量子阱激光器相近的阈值电流，在该温区下他们这台量子点激光器同时还具有较好的温度稳定性。但是，在室温下他们的量子点激光器的性能却无法和激光二极管相比。

在激光装置中叠置量子点层可增加器件中激活材料的数量。1995年，詹姆斯 · 哈里斯（James Harris）与斯坦福大学的合作者发现，从叠置的砷化铟点层中产生的荧光线宽会被明显地压缩。这种压缩效应被认为是由量子点的尺寸分布比较均匀引起的，量子点尺寸的均匀分布起因于量子点的相关集结成核作用 :在上层量子点的生长过程中，原子倾向于恰好在下层量子点的上方聚集并形成新的量子点。如果量子点层与层之间的间隔不太大，就会产生这种相关集结成核作用，它是由夹在两层之间的量子点周围的应力场引起的。最近，贝姆伯格及其合作者与日本电气公司的斋滕秀树研究组研制成功了具有十层量子点叠层的激光二极管。

前景展望

虽然量子点激光器的研究还处于起步阶段，但是实验已经证明自动组装的量子点确实能产生质量良好的激光。下一步的任务是使量子点激光器的性能赶上或超过量子阱激光器的性能，这将引发人们对量子点激光器在应用上，如超远距离光学数据传输的进一步研究，这一任务中的关键的问题是设法改善我们对自动组装过程中制成的子点的尺寸分布的控制。虽然在量子点激光器的研制过程中还存在很多困难，但是借助于已经取得的快速进展，科学家相信在不远的将来堡子点激光器的性能一定能显著地提高。

［Physic World，1997年9月号］