有源區為量子阱結構的LD稱為量子阱激光器。當半導體材料，如雙異質激光器的作用層的厚度，減小到粒子的德布羅意波長量級時，就會產生量子尺寸效應，在有限的方形勢阱中，導帶電子和價帶空穴隻能在幾個分立的能級上存在。請注意：量子阱與超晶格在結晶學上是類似的，但兩者的物理性質有重要區別。在量子尺寸範圍內，當勢壘有足夠的高度和厚度、相鄰勢阱中的波函數不發生重疊時，(阱中的電子不會與相鄰阱中的電子混淆)，屬量子阱結構；當相鄰勢阱中的波函數發生重疊時，屬超晶格結構。
如果有源區僅含一個量子阱，它被夾在兩個勢壘之間，這樣的激光器稱為單量子阱激光器(SQW)；若有源區含多個量子阱，它們與勢壘構成一維周期性結構，這樣的激光器稱為多量子阱激光器(MQW)。多量子阱激光器可以輸出較高的光功率。
順便說一下，若在沿pn結方向的結構尺寸也減小到電子平均自由程時，則可構成兩維量子限製，即成量子線激光器；若在沿共振腔方向的結構尺寸也減小至電子平均自由程時，則可構成三維量子限製，即成量子點激光器。
DH激光器的有源區厚度d一般在0.1～0.2微米量級，有源區的載流子分布呈拋物線形狀。但在量子阱激光器中，由於量子尺寸效應，載流子分布發生了根本變化，變成階梯狀。這一變化使半導體激光器產生了許多新的特征，如(a)波長藍移。因為在量子阱激光器中注入載流子的複合不再是帶邊複合，而是導帶電子和價帶空穴量子能級之間的複合，因此，發射光子的能量向高能方向移動。藍移程度和阱寬有關，阱越薄，藍移越大。(b)閾值電流減小，一般僅為普通DH激光器的1／3，原因是量子阱結構使增益譜的峰值增加，而譜寬變窄。量子阱激光器的閾值電流隨溫度的變化特性也大大得到了改善，特征溫度T0可達300K左右。(c)發射光譜變窄。這同量子阱結構增益譜寬變窄，阱中載流子能級量子化有關。(d)調製帶寬增大。半導體激光器的直接調製帶寬一般可用張弛振蕩頻率表示。目前，量子阱激光器的最高張弛振蕩頻率已超過30GHz。
有源區為有應力的量子阱結構的LD稱應力層量子阱激光器。按傳統觀念，普通量子阱激光器的勢壘和勢阱材料的晶格常數應該是嚴格匹配的，即晶格常數差一般應小於0.
1％。但是，按照這一規定，半導體激光器的輸出波長在0.
9～1.1微米波段就出現空白。0.9微米是GaAlAs／GaAs激光器的長波限，1.1微米是InGaAsP／InP激光器的短波限。
隨著分子束外延(MBE)、金屬氧化物化學汽相沉積(MOCVD)等薄膜生產技術的發展，人們在研究0.98微米InAaAs／GaAs激光器時發現，當作用層厚度小於某臨界厚度時，InGaAs／GaAs異質結中自然存在的應力(晶格常量差小於1％)，不但不會使襯底中的位錯通過異質結向作用區延伸，而且還使半導體激光器的許多特性得到進一步改善，如閾值電流降低、量子效率提高、線寬減小和調製頻率加寬等。結果使0.98微米應力層量子阱InGaAs／GaAs激光器，單麵輸出最大功率高達100毫瓦；應力層多量子阱InGaAs／InP激光器的調製帶寬高達40GHz；1.3微米應力層多量子阱InGaAsP／InP激光器基模輸出功率在10％時可高達250毫瓦等。
理想的半導體激光器，要求作用區材料具有鏡麵對稱的能帶結構。但實際上，像GaAs，InP這樣的直接帶隙半導體的能帶結構都不是如此。導帶與理想的類似，價帶比較複雜，一般分為兩個帶，上麵的帶稱為重空穴帶，下麵的帶稱為輕空穴帶。重空穴帶的態密度較大，絕大部分空穴都處在重空穴帶中。這種帶結構對產生激光不利，因為在注入電流時，僅導帶準費米能級EF隨注入電流的變化明顯上升，由於重空穴帶的態密度較大，價帶準費米能級EF隨注入電流的變化不明顯，因而，激光器的閾值電流較高。晶格匹配量子阱結構由於量子尺寸效應可使載流子的態密度分布呈階梯狀，從而使半導體激光器的閾值電流大幅度下降，但是這種由重空穴帶態密度較大所引起的閾值電流偏大因素並未消除。研究表明，在量子阱中引入適當應力時，能帶結構會發生有益的變化。通常，作用層的帶隙比限製層小，在晶格不匹配時，作用層的原子間距將比限製層的原子間距大。這樣，作用層和限製層之間的原子間距差將在與作用層平行的方向上產生壓縮壓力，它會使能帶結構發生變化，使該方向上的空穴有效質量減小3至4倍。應力把輕空穴帶，在對稱中心附近，提升到重空穴帶的上麵。這樣，絕大部分(約90％)空穴就處在高於重空穴帶的那部分輕空穴帶中，從而使這個輕空穴帶在激光躍遷中起重要作用。這樣的能帶結構已很接近理想中的能帶結構。還要指出的是，同晶格匹配量子阱結構比較，應力層量子阱的帶隙複合和價帶帶間躍遷也都相應地減小了，結果使閾值電流進一步降低、量子效率大大提高、微分增益增大，還使線寬增加因子減小，噪聲減小，調製頻率加寬等。