林清富臺灣大學：光電工程學研究所何頤Ho, YiYiHo2007-11-252018-07-052007-11-252018-07-052006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50727本論文主要在研究砷化銦量子點雷射二極體的性質與應用。量子點雷射二極體中，載子捕捉受限制的聲子瓶頸效應，對於其作為光電元件的影響很大。為了獲得更多微觀的載子動力學資訊，本論文探討量子點變溫條件下的電激發光增益頻譜，載子捕捉與聲子瓶頸造成的非平衡態費米狄拉克分布等現象，可獲得Auger載子復合與電子－聲子散射率等微觀資訊。經由曲線擬合，可證實砷化銦量子點中非放射性復合主因為LA聲子，載子捕捉為LO聲子且聲子瓶頸對增益頻譜的光子增益尖峰值有明顯影響，量子點中的載子散射較塊材明顯受限等等結論。 為了描述量子點中尺寸分布對頻譜造成的影響，一般普遍採用＂能量＂上的高斯函數加以處理，此章根據前人實驗結果，提出對＂尺寸＂的高斯函數來處理增益計算，以達到更好的曲線擬合效果 另外本論文也替相異雙重量子井與量子點雷射二極體的高速直接調變進行純理論模擬，探討雙重量子井與量子點中的直接調變。The thesis is focused on the investigation on the characteristics and applications of InAs quantum-dot laser diodes. In quantum-dot laser diodes, carrier capture that is limited by phonon bottleneck effect has significant influence on the application of electro-optical devices. In order to obtain more microscopic information about carrier dynamics, in this thesis, many phenomena are explored such as the electro-luminescence spectrum at variant temperatures, carrier capture, phonon bottleneck and consequential non-equilibrium Fermi-Dirac distribution. The above phenomena can give us microscopic information such as Auger recombination and electron-phonon scattering. By curve fitting, the main reason of nonradiative recombination can be proved as electron-LA phonon scattering, and carrier capture as electron-LO phonon scattering which has evident influence to optical gain spectrum in InAs quantum dot. In quantum dots, carrier scattering is much more limited than in bulk. In order to model the influence of size distribution to gain spectrum, “energy” distribution Gaussian functions are usually adopted. According to the experimental events, “size” Gaussian distribution functions are proposed to achieve better fittings. Furthermore, the simulations of high speed modulation in nonidentical quantum wells and quantum dot laser diodes are also available in this thesis.目錄 第一章．簡介…………………………………………………1 1-1　奈米結構與量子點………………………………1 1-2 量子點雷射的應用………………………………5 1-3 論文章節架構……………………………………5 第二章．量子點的基本性質…………………………………9 2-1 量子點的製程……………………………………9 2-2 量子點的尺寸與增益…………………………13 2-2-1 量子點的尺寸分布 …………………………13 2-2-2 量子點的尺寸與能階分布 …………………15 2-2-3 增益與尺寸分布的關係 ……………………15 2-3 聲子瓶頸與能量動量守衡………………………17　　 2-4 量子點聲子散射與元件特性……………………20 2-4-1 量子點臨界電流……………………………20 2-4-2 量子點頻譜直流狀況之頻寬 ………………21　　 2-4-3 量子點交流直接調變之頻寬 ………………21 2-5 量子點雷射的應用與其突破的契機……………22 第三章．電子－聲子散射率………………………………25 3-1 聲子的運動方程式 ……………………………26 3-2 極化場，離子晶體與聲子的互動 ……………30 3-3 聲子的量子力學模型 …………………………34 3-4 時變微擾理論 …………………………………36 3-5 週期性固體中的聲子的能量運算符 …………39 3-5-1 音聲子……………………………………39 3-5-2 光聲子……………………………………44 3-6 散射矩陣元素與聲子散射率 …………………46 3-6-1 音聲子散射 ………………………………47 3-6-2 光聲子散射 ………………………………48 3-6-3 總結 ……………………………………49 第四章．非平衡態費米狄拉克分布與量子點增益.51 4-1 非平衡態費米狄拉克分布…………………53 4-1-1 低注入電流與單一量子態 ……………53 4-1-2 高注入電流與多量子態 ………………58 4-2 量子點增益對實驗的擬合…………………64 4-2-1 能量高斯分布增益……………………64 4-2-2 尺寸高斯分布增益……………………68 4-2-3 變溫條件的增益………………………72 第五章．雙重相異量子井中的直接調變 ……………75 5-1 光放大器與直接調變…………………………75 5-2 單一種類量子井與不同種類量子井的調變…77 5-3 雙重相異量子井直流穩態解…………………80 5-4 雙重相異量子井頻率響應…………………81 5-4-1 低電流注入……………………………83 5-4-2 高電流注入……………………………90 第六章．量子點中的直接調變 ………………………95 6-1 穩態直流解……………………………………95 6-1-1 臨界電流………………………………97 6-1-2 臨界條件與發光強度特徵……………99 6-2 頻率響應 ……………………………………107 第七章．總結……………………………………………113 附錄一．精確的量子點能階計算……………………1151221639 bytesapplication/pdfen-US量子點雷射二極體砷化銦增益非平衡聲子縱向音聲子縱向光聲子捕捉鬆弛尺寸能量高斯調變quantum dotlaserdiodeInAsgainnon-equilibriumphononLA phononLO phononcapturerelaxationsizeenergyGaussianmodulationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50727/1/ntu-95-R92941008-1.pdf