半導(dǎo)體光電子學(xué)第二章第四章

1、第二章第二章 異異 質(zhì)質(zhì) 結(jié)結(jié)F前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié) F2.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 F2.2異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 F2.3異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 F2.4 對注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求F2.5 異質(zhì)結(jié)對載流子的限制F小結(jié)前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)p-n結(jié)結(jié)：把一塊p型半導(dǎo)體和一塊n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界面處就形成了所謂的p-n結(jié)。同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：由兩種禁帶寬度相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。pn突變結(jié)：突變結(jié)：在交界面處，雜質(zhì)濃度由NA（p型）突變?yōu)镹D（n型），具有這種雜質(zhì)分布的p-n 結(jié)稱為突變結(jié)。緩變結(jié)：緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)?？臻g電荷

2、空間電荷空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場內(nèi)建電場電勢差電勢差VDNP2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料，通過一定的生長方法所形成的結(jié)。半導(dǎo)體中是兩種不同單晶半導(dǎo)體材料之間的晶體界面，也可以說是由兩種基本物理參數(shù)不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成的晶體界面，不同的物理參數(shù)包括Eg，功函數(shù)（），電子親和勢（），介電常數(shù)（）。同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：由兩種禁帶寬度相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。由同種材料構(gòu)成的結(jié)。（廣義）由構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的摻雜（或由構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的摻雜（或?qū)щ姡╊愋?，可將異質(zhì)結(jié)分為導(dǎo)電）類型，可將異質(zhì)結(jié)分為:異型異質(zhì)結(jié)：異型異質(zhì)結(jié)：P-

3、n，p-N；同型異質(zhì)結(jié)：同型異質(zhì)結(jié)：n-N，p-P。P，N寬帶隙材料；p，n窄帶隙材料。突變結(jié)、緩變結(jié)突變結(jié)、緩變結(jié)：按照過度區(qū)空間電荷分布情況及厚度的不同，前者有明顯的空間電荷區(qū)邊界，其厚度只有幾個晶格常數(shù)大小，而后者的空間電荷濃度向體內(nèi)逐漸變化，其厚度可達(dá)幾個載流子擴(kuò)散長度。電子親和勢：一個電子從導(dǎo)帶底轉(zhuǎn)移到真空能級所需的能量。真空能級：真空中靜止電子的能量。功函數(shù)：將一個電子從費(fèi)米能級EF處轉(zhuǎn)移到真空能級所需能量。能帶分析作能帶圖的步驟作能帶圖的步驟以同一水平線的真空能級為參考能級，根據(jù)各自的、Eg值畫出兩種半導(dǎo)體材料的能帶圖，如圖2.1-1所示兩種材料形成異質(zhì)結(jié)后應(yīng)處于同一平衡系統(tǒng)中，

4、因而各自的費(fèi)米能級應(yīng)相同，而各自的、 仍維持原值不變；畫出空間電荷區(qū)（由內(nèi)建電勢可求空間電荷區(qū)寬度），值在空間電荷區(qū)以外保持各自的值不變；真空能級連續(xù)與帶邊平行（彎曲總量為兩邊費(fèi)米能級之差，每側(cè)彎曲程度由費(fèi)米能級與本征費(fèi)米能級之差決定，由摻雜濃度決定）；而各自的、Eg不變。原來兩種材料導(dǎo)帶、價帶位置之間的關(guān)系在交界處不變。 1=Ev1-F1，2=Ec2-F2Ec=1-2=（2.1-1）Ev=Ev2-Ev1 =（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg-=Eg-Ec Eg=Ec+EveVD=1-2=F1-F2=e（VDp+VDN） 由泊松方程 02)(x,rxtVdxdVxE/)(1212/pADpx

5、eNV2222/NDDNxeNV221212/NDpADNDpxNxNVVNDpAxNxN21NpADxxNN121212/ADDNDpNNVV)1 (2211DADpDNDpDNNVVVV2/122111221)(2DAADDpNNNVNex2/122112121)(2DADDANNNNVNex2/1221121211)(2)(DADDApADjNNVNNexeNdVdCdVdQ上面講的是平衡結(jié)（無外界作用）的情況，當(dāng)在結(jié)兩邊加上正向電壓Va后，它在結(jié)兩邊空間電荷區(qū)上的壓降分別為V1和V2，這時的勢壘高度就由原來的eVD降低到e（VD-Va）=e（VDp-V1）+（VDN-V2），只要用（V

6、D-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分別代替VD、VDp、VDN，上面講的公式仍然成立。異質(zhì)結(jié)的電流-電壓特性 12()expexpcDpDNBBEeVeVAAk Tk T)(exp/ )(exp1122TkVeVEATkVVeAJBDpcBDN221exp(/)exp(/)exp(/)DNBBBJAeVk TeVk TeVk T100kTqVppnnnpeLDpLDnqj二、突變同型異質(zhì)結(jié) )/exp()/)exp(/exp(211TkeVTkeVTkeVBJBBBD2.2 異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 一、在半導(dǎo)體激光器中的作用 1. pN異型異質(zhì)結(jié)處在正向電壓時，異質(zhì)結(jié)勢

7、壘高度降低，N區(qū)的電子可以越過勢壘和隧穿勢壘而注入窄帶隙p區(qū)，這種異質(zhì)結(jié)有助于載流子從寬帶隙區(qū)向窄帶隙區(qū)的注入，同時該異質(zhì)結(jié)在價帶上的勢壘也阻礙著空穴由p區(qū)向N區(qū)的注入。2.同型異質(zhì)結(jié)pP有一個較高的勢壘以阻擋注入p區(qū)的電子漏出。3.由于窄帶隙半導(dǎo)體的折射率比寬帶隙高，因此有源區(qū)兩邊的同型和異型異質(zhì)結(jié)都能產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng)，從而限制有源區(qū)中的光子從該區(qū)向?qū)拵断拗茖右莩龆鴵p失掉。n1n3.4.在實(shí)際激光器的結(jié)構(gòu)中，需要生長一層與前一層摻雜類型相同但雜質(zhì)濃度很高（1020/cm3）的蓋帽層（或頂層），這種同型異質(zhì)結(jié)可用來減少與相繼的金屬電極層之間的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。 二、異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極

8、管（LED）中的作用 光信息領(lǐng)域中使用的LED和半導(dǎo)體激光器一樣，也是采用多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其作用同樣是載流子限制、光子限制，減少內(nèi)部損耗。在表面發(fā)射LED中，還可以在靠近有源區(qū)的表面生長一個能透明的同型異質(zhì)結(jié)，它一方面用來鈍化表面，減少注入有源區(qū)的載流子與表面態(tài)復(fù)合而造成損失，提高器件穩(wěn)定性，另一方面還可以減少器件與空氣界面的反射損失，從而增加輸出。 三、異質(zhì)結(jié)在光電二極管探測器中的應(yīng)用作為光探測器，希望它有寬的光譜響應(yīng)范圍和高的光電轉(zhuǎn)換效率。在包含有異質(zhì)結(jié)的光電二極管中，寬帶隙半導(dǎo)體成為窄帶隙半導(dǎo)體的輸入窗，利用這種窗口效應(yīng)，可以使光電二極管的光譜響應(yīng)范圍加寬。如圖2.2-1(a)，異質(zhì)結(jié)由寬

9、帶隙Eg1和窄帶隙Eg2兩種半導(dǎo)體組成，Eg1Eg2，只要入射光子能量hEg1，則光能透過1，透射譜線如圖中虛線所示。透過半導(dǎo)體1的光子，如果能量滿足hEg2，則它被半導(dǎo)體2吸收，吸收譜線如圖中實(shí)線。顯然，圖中陰影部分表示這種結(jié)構(gòu)的光探測器能有效工作的范圍，入射光子應(yīng)滿足Eg1hEg2。如圖(b)中表示同質(zhì)結(jié)的情況，可見這種結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有效吸收的光子非常有限。 光子能量透射系數(shù)和吸收系數(shù)光子能量透射系數(shù)和吸收系數(shù)作業(yè): 教材73頁第2、3題另：1、根據(jù)泊松方程推導(dǎo)教材中的（2.1-5）， （2.1-6）， （2.1-7），根據(jù)結(jié)電容的定義推導(dǎo) （2.1-9）式。2、什么是異質(zhì)結(jié)？異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體激

10、光器中有哪些典型作用？3、異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極管（LED）中有什么作用？4、在光電二極管探測器中，是如何利用異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)來提高其光譜響應(yīng)范圍的？5、異性異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)是由 決定的， 而同性異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)則是由 決定的。 第三節(jié) 異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 形成理想的異質(zhì)結(jié)，要求兩種半導(dǎo)體材料在晶體結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量相近或相同，晶格常數(shù)應(yīng)盡量相同，以前的異質(zhì)結(jié)都是由晶體結(jié)構(gòu)相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的（如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)），近年來由于光電子集成（OEIC-Optoelectronic Integrated Circuit）技術(shù)的迫切需要，并考慮到硅是一種常用來制造微電子學(xué)

11、器件且制造與加工工藝均成熟的材料，因此在價格便宜的硅基體上MBE和MOCVD技術(shù)生長GaAs而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的技術(shù)正不斷發(fā)展。 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 懸掛鍵懸掛鍵：晶格在表面的最外層的每個硅原子將有一個未配對的電子即有一個未飽和鍵，如圖，這個鍵稱為懸掛鍵，與之對應(yīng)的電子能級就是表面態(tài)。表面態(tài)。 一般認(rèn)為，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種不同半導(dǎo)體之間嚴(yán)格的晶格常數(shù)匹配是獲取性能良好的異質(zhì)結(jié)的重要條件，否則在異質(zhì)結(jié)表面就會產(chǎn)生所謂的懸掛鍵。復(fù)合中心：能夠促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷。 晶格常數(shù)：晶體學(xué)晶胞各個邊的實(shí)際長度失

12、配位錯：兩種材料晶格常數(shù)不相等，界面處形成位錯。 異質(zhì)結(jié)界面上由懸掛鍵引起的界面態(tài)密度與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和晶面有關(guān)，不同晶面上界面態(tài)密度不同，在具有面心立方結(jié)構(gòu)的金剛石和閃鋅礦晶體中（100）（110）（111）晶面上生長的異質(zhì)結(jié)中所包含懸掛鍵或界面態(tài)密度分別為)11(4)100(2122aaNs)11(22)110(2122aaNs)11(34)111(2122aaNs 由于界面態(tài)的存在會對從寬帶隙向窄帶隙半導(dǎo)體的載流子注入與復(fù)合產(chǎn)生影響，使非輻射復(fù)合速率增加，從而使內(nèi)量子效率降低。 a. 越過勢壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合，b.越過勢壘的空穴與界面態(tài)復(fù)合，c. 隧穿勢壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合，d. 隧穿勢壘

13、的空穴與界面態(tài)復(fù)合。 dENvsISthn21aaa)(8020aaavSnth%100)(0aa0212aaa晶格失配率 界面復(fù)合速度： 雙異質(zhì)結(jié)激光器中若兩個異質(zhì)結(jié)之間的距離為d，當(dāng)體內(nèi)復(fù)合與界面態(tài)復(fù)合并存時，則注入載流子的有效復(fù)合壽命可表示為 nrreffds12111)21 (nrrrids內(nèi)量子效率 effr11rnr1)21 (dsri內(nèi)量子效率與晶格失配率成反比。 實(shí)際半導(dǎo)體光電子器件的異質(zhì)結(jié)都是在某一襯底材料上外延生長所形成的，外延層的質(zhì)量取決于襯底材料本身結(jié)晶的完美性，外延層與襯底之間的晶格匹配、外延層的厚度以及合適的生長工藝等多種因素。（弗伽定律）ACADBCBDABCDa

14、yxaxyayxxyaa)1)(1 ()1 ()1 (yyxxPAsInGa11InPInAsGaPGaAsGaInAsPayxaxyayxxyaa)1)(1 ()1 ()1 (GaAs、InP和InGaAsP臨界厚度 aahc22/20)1)(0()(TaTaInPInAsGaPGaAsGaInAsPyxxyyxxy)1)(1 ()1 ()1 ( 一般認(rèn)為，晶格不匹配的異質(zhì)結(jié)在性能上是不穩(wěn)定的，但隨著MBE（Molecular Beam Epitaxy取向附生）、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）等外延技術(shù)的發(fā)展，

15、可以生長出原子級薄層，只要外延層小于某一臨界厚度（幾十nm），則兩種材料的晶格失配可由彈性應(yīng)變的形式來彌補(bǔ)，而不產(chǎn)生影響器件性能的失配位錯，利用這種原子層外延技術(shù)可以生長所謂應(yīng)變異質(zhì)結(jié)，有可能在Si上生長GeSi或GaAs外延層，這樣將在光電子集成（OEIC-optoelectronic integrated circuit）方面獲得廣泛的應(yīng)用。 作業(yè): 教材73頁第5題另： 1、在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵（GaN）產(chǎn)生藍(lán)色的LED和LD已經(jīng)分別在白光照明和大容量存儲中獲得應(yīng)用，然而，這些異構(gòu)異質(zhì)外延生長都 來過渡晶格常數(shù)大的差異來緩減晶格適配的影響。 2、什么是懸掛鍵？懸掛鍵的存在對半導(dǎo)體激光

16、器有什么危害？ 3、通常來說，為什么在（111）面上生長異質(zhì)結(jié)是比較理想的？ 4、以圖2.3-1所示的nP結(jié)為例說明在實(shí)際的異質(zhì)結(jié)中可能存在的幾種復(fù)合過程。 5、InGaAsP外延層和InP襯底之間可以實(shí)現(xiàn)理想的晶格匹配，為什么在超出一定厚度后仍會出現(xiàn)位錯？這一厚度被稱為？ 2.4 對激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求 一、直接帶隙，從激射波長出發(fā)來選擇半導(dǎo)體激光器材料hEgeVEmg24. 1對Ga1-xAlxAs，其禁帶寬度可表示為 xeVEg247. 1424. 145. 00 x245. 0147. 1247. 1424. 1xxeVEg145. 0 x 在x0.37時，Ga1-xAlxAs中的電

17、子將由直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙躍遷，因此不能用GaAlAs作有源材料制作發(fā)射波長0.65m的激光器。 為了限制注入有源區(qū)的載流子，應(yīng)使有源層與相鄰的限制層之間存在0.250.4eV的帶隙臺階Eg，如取Eg=0.3eV，當(dāng)有源層AlAs組分為018%（對于波長0.870.75m），則限制層中的AlAs含量應(yīng)為2025%。 四元化合物用弗伽定律表示帶隙，GaInAsP：GaPgGaAsgInPgInAsggEyxyxEEyxyExeVE1111 選擇材料時，還應(yīng)考慮到摻雜和注入的載流子濃度對帶隙大小產(chǎn)生的影響，相應(yīng)造成激射波長的漂移。 在半導(dǎo)體中，摻雜濃度與注入載流子濃度之間滿足電中性條件：DANpN

18、n0pnp31318106 . 1424. 1npEg 由式中可見，摻雜或載流子注入會引起帶隙收縮，即半導(dǎo)體激光器的激射波長紅移 二、從晶格匹配來考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料三、由異質(zhì)結(jié)的光波導(dǎo)效應(yīng)來選擇半導(dǎo)體激光器材料nn/3-7% n=3.590-0.710 x+0.091x2 在半導(dǎo)體中摻雜濃度、注入載流子濃度和溫度都對折射率產(chǎn)生影響，圖2.4-8表示摻雜對GaAs折射率的影響，折射率隨摻雜濃度的增高而降低會減弱有源區(qū)的光波導(dǎo)效應(yīng)，在開始同質(zhì)結(jié)中人們用這種摻雜來達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，現(xiàn)在異質(zhì)結(jié)不用了，有源區(qū)是本征的了。 TnT10104 綜上選擇折射率受能量、摻雜、注入載流子、溫度等多種因素影響，

19、為了獲得合理的折射率臺階要多方考慮，這樣才能提高半導(dǎo)體激光器的性能。 四、襯底材料的考慮 1.襯底應(yīng)該與在其上外延生長的材料有很好的晶格匹配，要求晶格常數(shù)盡量相同，二者要求有盡可能多的相同原子構(gòu)成。 2.襯底本身的位錯密度應(yīng)盡可能小，有盡可能少的晶格缺陷。3.襯底與在其上所要形成的外延層在生長工藝上的相容性，在生長條件下材料與襯底之間應(yīng)有盡可能小的互作用，不造成彼此之間的分解。 另外，選擇合適的襯底晶面生長，即擇優(yōu)取向生長是很重要的。 作業(yè)作業(yè): 教材教材73頁第頁第7題題另：另：1、半導(dǎo)體激光器對異質(zhì)結(jié)的基本要求有哪些？、半導(dǎo)體激光器對異質(zhì)結(jié)的基本要求有哪些？ 2、寫出、寫出GaAs半導(dǎo)體：

20、帶隙與載流子的濃度關(guān)系式。并以此分析說明在半導(dǎo)體：帶隙與載流子的濃度關(guān)系式。并以此分析說明在GaAs半導(dǎo)體中載流子濃度的增加會導(dǎo)致一些什么樣的現(xiàn)象發(fā)生。半導(dǎo)體中載流子濃度的增加會導(dǎo)致一些什么樣的現(xiàn)象發(fā)生。 3 、 根 據(jù) 圖、 根 據(jù) 圖 2 . 4 . 2 ， 分 析 為 什 么 可 以 以， 分 析 為 什 么 可 以 以 G a A s 為 襯 底 生 長 得 到 的為 襯 底 生 長 得 到 的AlGaAs/GaAs激光器？但是為什么目前用激光器？但是為什么目前用AlGaAs/GaAs還不能很好的用來制還不能很好的用來制造可見光激光器？造可見光激光器？ 4、對于異質(zhì)結(jié)激光器，一般希望有

21、源區(qū)和限制層的相對折射率在一個什么、對于異質(zhì)結(jié)激光器，一般希望有源區(qū)和限制層的相對折射率在一個什么樣的范圍之內(nèi)？哪邊的折射率相對要高一些？樣的范圍之內(nèi)？哪邊的折射率相對要高一些？ 5、在半導(dǎo)體中，哪些因素對材料的折射率有影響？其中注入載流子濃度是、在半導(dǎo)體中，哪些因素對材料的折射率有影響？其中注入載流子濃度是如何影響材料的折射率的？如何影響材料的折射率的？ 6、對于多層結(jié)構(gòu)的、對于多層結(jié)構(gòu)的LD，LED以及其他光電子器件，對襯底的要求有哪些？以及其他光電子器件，對襯底的要求有哪些？2.5 異質(zhì)結(jié)對載流子的限制異質(zhì)結(jié)對載流子的限制 異質(zhì)結(jié)限制載流子的能力與勢壘高度、結(jié)溫度等因素有關(guān)，由于受到晶格

22、匹配的限制，不可能無限地增加勢壘高度，從載流子能量統(tǒng)計分布的特點(diǎn)來看，部分載流子不可避免地越過勢壘而泄漏，漏出的載流子以非輻射復(fù)合釋放能量，將惡化器件的性能，下面分析異質(zhì)結(jié)對載流子的限制。 一、異質(zhì)結(jié)勢壘對電子和空穴的限制 cEe（VD-Va）和 VE 以GaAs為例定量說明異質(zhì)結(jié)對載流子的限制能力，求出漏出有源區(qū)的載流子濃度.在GaAs有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要注入的載流子濃度約為(1-1.3)1018/cm3，為達(dá)到閾值需要注入的總電子濃度約為21018/cm3，所注入的載流子絕大部分處在直接帶隙的“”能谷中eVEL284. 0eVEX476. 0各能谷中電子濃度表達(dá)式02/12322/

23、)exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBcce02/12322/ ) exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBccXeX02/12322/ )exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBccLeLXLnnnEn)(/LXnnnnTkEENnFcc00exp323022hTkmNncFc-Ec=0.079eV cEBcceTkFEdEEEmnexp1221212322同樣方法，將式（2.5-3）的積分下限改為Ec，將E=0.284eV帶入該式，就可求出“L”能谷中不受勢壘Ec限制而漏出的電子濃度。谷E=Eg =0.476eV，大于0.318eV，所在“”導(dǎo)帶能谷中的電子n全

24、部漏出。由式（3.5-4）可求出泄漏電子濃度n=n，總的漏電子是三者之和，它們成為惡化器件性能的漏電流?？紤]pN異質(zhì)結(jié)對空穴的限制時，勢壘為e(VD-Va)+Ev決定，其余方法相同。 超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象: 二、由泄漏載流子引起的漏電流 泄漏無疑減少了有源區(qū)中可用來產(chǎn)生輻射復(fù)合的載流子，使內(nèi)量子效率降低，閾值電流密度提高，結(jié)溫升高，溫度穩(wěn)定性差。 三、載流子泄漏對半導(dǎo)體激光器的影響 作業(yè): 教材73頁第9、10題另：1、對于有源層很薄的NpP型GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)激光器中，加上正向偏壓后，電子和空穴的勢壘高度分別受到哪些因素影響？ 2、什么是“超注入”，這種現(xiàn)象對雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器有

25、什么意義？ 3、寫出圖2.5-4中各電流的含義。并給出電子流的一維連續(xù)性方程，并寫出其中各參數(shù)的含義。 4、載流子泄漏對半導(dǎo)體激光器有什么影響？第四章 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 4.1 概述4.2 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩4.3 在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器4.4 條形半導(dǎo)體激光器4.5 條形半導(dǎo)體激光器中的增益波導(dǎo)4.6 垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）4.7 分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器4.1 概述一臺激光器一般由工作物質(zhì)、激勵源和光學(xué)諧振腔三部分組成 工作物質(zhì)激勵源光學(xué)諧振腔根據(jù)工作物質(zhì)不同有氣體、固體、染料、半導(dǎo)體、化學(xué)等種類的激光器。 對于半導(dǎo)體激光器也是由這三部分組成的。工作物質(zhì)也叫

26、有源區(qū)；諧振腔是晶體的自然解理面，泵浦源是電源。 與其它激光器不同的是，半導(dǎo)體激光器具有層狀結(jié)構(gòu),其作用相當(dāng)于固體激光器的聚光腔，半導(dǎo)體激光器的諧振腔不是由外加反射鏡構(gòu)成，而是利用半導(dǎo)體本身的晶體解理面形成內(nèi)反射腔，這使得半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)很緊湊，避免了外加諧振腔可能產(chǎn)生的機(jī)械不穩(wěn)定性，半導(dǎo)體激光器的電源簡單，電流電壓都很小，工作使用很方便、安全，優(yōu)點(diǎn)。 1962年同質(zhì)結(jié)LD，Jth達(dá)到104A/cm2量級，液氮下脈沖工作，毫無使用價值。1967年LPE生長出GaAlAs-GaAs異質(zhì)結(jié)并很快研制出單異質(zhì)結(jié)LD，Jth達(dá)到8.6103A/cm2，下降一個數(shù)量級，從而實(shí)現(xiàn)了室溫下脈沖工作，1970

27、年，雙異質(zhì)結(jié)Jth量級又下降一個，實(shí)現(xiàn)連續(xù)室溫工作，迅速在光纖通信、光信息處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 作業(yè): 1、激光器的基本結(jié)構(gòu)由哪幾部分組成？半導(dǎo)體激光器的諧振腔有什么突出特點(diǎn)？ 2、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)從1962年問世到1970年開始利用，經(jīng)歷了哪3個階段？量子阱材料的半導(dǎo)體激光器有什么特點(diǎn)？ 3、從20世紀(jì)70年代中期開始相繼出現(xiàn)了一些不同結(jié)構(gòu)特定、高頻響應(yīng)特性好、熱穩(wěn)定性好的單縱模激光器，舉例進(jìn)行說明。L輸入端輸出端t1Eit1Eiexp(-jL)t1t2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j

28、3L)部分反射端面1部分反射端面2圖4.2-1光子在平行腔內(nèi)增益介質(zhì)中振蕩的示意圖4.2 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩 )exp(zjEEi0)(kk jn4/0k00/2kr1r2Eiexp(-2jL)=Ei r1r2 exp(-2jL)=1 1 20exp2()1rrj njk kL1)4exp(021Lnjrr=i-g，g是增益系數(shù), i為介質(zhì)的內(nèi)部損耗系數(shù), 1)4exp()exp(021LnjLgrri1)exp(21Lgrri1)4exp(0Lnj閾值振幅條件相位條件211ln1rrLgiht211ln21RRLgihtRLgiht1ln1)1ln1(1RLAJJitth物理意義？mLn2

29、4002mLn nLdmddm200)(1 200200dndnLnd1)4exp(0Lnj縱模 作業(yè): 1、什么是半導(dǎo)體激光器的閾值條件? 它對諧振腔內(nèi)光子有什么要求？ 2、推導(dǎo)光子在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩的閾值振幅條件和相位條件。 3、如何降低激光器的閾值增益。激光器的縱模間隔是多少？4.3 在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器 一、同質(zhì)結(jié)激光器n+-GaaAsp+-GaaAs同質(zhì)結(jié)遇到的困難是，閾值電流密度高，而且隨溫度發(fā)生劇烈變化， 電子擴(kuò)散長度增加 光波導(dǎo)效應(yīng) P型GaAs容易吸收光子 )1ln1(1RLAJJitth將注入載流子有效地限制在比電子擴(kuò)散長度小得多

30、的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生受激發(fā)射；將產(chǎn)生的光子在垂直于結(jié)平面方向上限制，使光子在諧振腔內(nèi)振蕩放大. 二、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 三、雙異質(zhì)結(jié)激光器 對半導(dǎo)體LD的研究主要集中在：壽命增加，穩(wěn)定性，可靠性，性能退化和失效機(jī)理，這主要是研究各種條形LD，降低Jth，Ith；工作波長范圍擴(kuò)大。最開始AlGaAs-GaAs的=0.85m，為適應(yīng)光纖通信發(fā)展，需研制對應(yīng)光纖更 低 損 耗 窗 口 的 波 長 ， 研 制 了 1 . 1 - 1 . 7 m InGaAsP/InP激光器，為適應(yīng)光盤等信息存儲技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射可見光的半導(dǎo)體激光器被研究；壓縮半導(dǎo)體激光器的線寬和在高速調(diào)制下的單模工作（即動態(tài)單縱模）；提高半

31、導(dǎo)體激光器的輸出功率和輸出光束的相干性，使光子從信息領(lǐng)域擴(kuò)展到以光為能量載體的材料加工領(lǐng)域。 作業(yè): 教材138頁第1題另：1、描述單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。解釋說明其相對于同質(zhì)結(jié)的優(yōu)越性。并說明其缺點(diǎn)。 2、描述雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。并簡要說明其優(yōu)點(diǎn)。 3、畫出雙異質(zhì)結(jié)N-GaAlAs/p-GaAs/P-GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)激光器在垂直于結(jié)平面方向的能帶圖，折射率分布和光強(qiáng)分布圖。 3、目前對半導(dǎo)體LD的研究主要集中在哪些方面？4.4 條形半導(dǎo)體激光器條形半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)結(jié)LD的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，僅僅在垂直于結(jié)平面方向（橫向）對有源區(qū)的載流子和光子進(jìn)行限制的寬面異質(zhì)結(jié)LD有許多不足之

32、處。側(cè)向（平行于結(jié)平面）具有許多模式，近場分布呈現(xiàn)出所謂多“光絲光絲”，而且隨著注入電流的增加，這些光絲的空間分布將發(fā)生變化， 在很多應(yīng)用中要求LD有很好的橫模橫模（包括側(cè)模）括側(cè)模）特性。一些應(yīng)用中，要求有盡可能圓對稱的遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場光斑光斑. .可行的途徑是在LD有源層的側(cè)向也對其內(nèi)部的載流子和光子施行限制。形成所謂條形LD，條形LD是LD實(shí)現(xiàn)室溫工作后一個重要的發(fā)展里發(fā)展里程碑程碑。一、條形半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn) 由于有源區(qū)側(cè)向尺寸減小，光場對稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率；因?yàn)樵趥?cè)向?qū)﹄娮雍凸鈭鲇邢拗疲欣跍p少激光器的閾值電流和工作電流，有利于提高電-光轉(zhuǎn)換效率。例如掩埋條形LD，I

33、th可達(dá)5mA以下，Pout達(dá)10mW以上；在這種結(jié)構(gòu)中，由于工作時產(chǎn)生熱量的有源層被掩埋在導(dǎo)熱性能良好的無源晶體之中，因而減少了激光器的熱阻，有利于熱散失，提高激光器的熱穩(wěn)定性；由于有源區(qū)面積小，容易獲得缺陷盡可能少或無缺陷的有源區(qū)，提高材料均勻性，同時除用作諧振腔的解理面外，整個有源區(qū)與外界隔離，有利于提高器件的穩(wěn)定性與可靠性；有利于改善側(cè)向模式。 二、條形激光器的種類 按它們在側(cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)，可分為兩類，即增益波導(dǎo)與折射率波導(dǎo)。增益波導(dǎo)是利用載流子密度在有源層側(cè)向的非均勻分布，而使有源層中心部分的增益（或復(fù)介電常數(shù)的虛部）高于其兩側(cè)，形成所謂的“增益波導(dǎo)”。側(cè)向折射率波導(dǎo)是由有源層與其兩

34、側(cè)材料的折射率差來實(shí)現(xiàn)的。 按有效折射率變化的大小而產(chǎn)生波導(dǎo)作用的強(qiáng)弱來分，有弱折射率波導(dǎo)和強(qiáng)折射率波導(dǎo)LD之分 增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LD：氧化物條形擴(kuò)散條形質(zhì)子轟擊條形橫結(jié)條形N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 氧化物條形質(zhì)子轟擊條形擴(kuò)散條形橫結(jié)條形弱折射率波導(dǎo) 強(qiáng)折射率波導(dǎo)激光器 1.腐蝕臺面掩埋異質(zhì)結(jié)LD 2.雙溝平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 3.V槽或溝道襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 4.臺面襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 腐蝕臺面掩埋異質(zhì)結(jié)LD N-InP I

35、nGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 熱沉2.雙溝平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP N-InP InGaAsP V槽或溝道襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 三、條形三、條形LD中的中的側(cè)向電流擴(kuò)展側(cè)向電流擴(kuò)展和和側(cè)向載流子擴(kuò)散側(cè)向載流子擴(kuò)散 N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 側(cè)向電流擴(kuò)展和側(cè)向載流子擴(kuò)散 edyJNfdyNdD/ )()(2

36、212)(1)()(ssysJyJ21)(sJeTtmksrB假設(shè)：有源層厚度沿y方向不變；不考慮俄歇復(fù)合；忽略異質(zhì)結(jié)界面影響電流在閾值以下。edyJNfdyNdD/ )()(2200ydydNlim( )0yN y有效限制載流子側(cè)向擴(kuò)散的方法有：1.由于注入載流子濃度正比于注入電流，因而限制電流，氧注入好于質(zhì)子轟擊；2.pn結(jié)橫向限制和垂直于結(jié)一樣，多子限制少子注入3.橫向用異質(zhì)結(jié).橫向用異質(zhì)結(jié)橫向用異質(zhì)結(jié) 作業(yè): 教材138頁第2,3題另：1、條形激光器按它們在側(cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)可以分為那兩類？有什么區(qū)別？4.5 條形激光器中的增益波導(dǎo)條形激光器中的增益波導(dǎo) 條形LD的側(cè)向光波導(dǎo)性質(zhì)，可以分成

37、折射率波導(dǎo)與增益波導(dǎo)，增益波導(dǎo)LD沒有內(nèi)部的側(cè)向材料折射率差來導(dǎo)引光波，唯一的側(cè)向變化是由注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和載流子的側(cè)向擴(kuò)散所決定的載流子濃度在有源層內(nèi)分布。即在電極接觸條下方的有源層中心區(qū)域有最高的載流子濃度，而向兩側(cè)逐漸減少，因而受激輻射復(fù)合速率和增益也有類似的變化，把這一物理事實(shí)稱為“增益波導(dǎo)”。增益波導(dǎo)在LD和LED中對光場的限制是被動的，光場在縱向傳播過程中會發(fā)生側(cè)向擴(kuò)展，因此增益波導(dǎo)相對于折射率波導(dǎo)是一種弱波導(dǎo)，有源層內(nèi)產(chǎn)生的功率將在光場的振蕩過程中產(chǎn)生較大的泄漏損耗。 與載流子分布有關(guān)的波導(dǎo)效應(yīng)還有，反波導(dǎo)和自聚焦效應(yīng)反波導(dǎo)和自聚焦效應(yīng)，由于自由載流子與光場（頻率為）的互作用所

38、產(chǎn)生的等離子體效應(yīng)，以及載流子在能帶之間躍遷與注入載流子的互作用使折射率減少，這使得有源層的折射率相對于增益在側(cè)向產(chǎn)生一個反分布（反波導(dǎo)）其結(jié)果是對光束產(chǎn)生散焦，增加光場的泄漏損耗，稱反波導(dǎo)效應(yīng)，自聚焦效應(yīng)，即在強(qiáng)的受激發(fā)射下，可能在有源層的中心區(qū)由于載流子的大量消耗而出現(xiàn)載流子分布的空間“燒洞”（凹陷），使得中心部分的折射率高于其兩側(cè)區(qū)域的折射率，結(jié)果是光場能量向中心會聚。由于增益波導(dǎo)中有上述一些復(fù)雜的過程，分析比折射率復(fù)雜得多增益波導(dǎo)分析0022yyEE00202yyEkE0r 0220)0(),(yayxsy 010),(yxsy )0()0()0(irjirjaaa)(exp)(202102ykayEry210222210)0( 2)()0()(rirryaayn)0(22)0()0(4)(22100ririryaayg1222020222(0)(0)(0)()() 4rg nnnnnassnsIg 021202ln4kaWr光強(qiáng)分布的半功率點(diǎn)或高斯光束的有效寬度 gnSW)0(68. 72040增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LD中的象散、中的象散、K因子因子 2222)()(dyyEdyyEKyy輸出光束是象散的，這就是說，如果用球透鏡對解理腔面成像，則虛腰的象面處在與腔面的象平面不同的