半導體光電子學第二章第四章

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

2、空間電荷空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內建電場內建電場電勢差電勢差VDNP2.1 異質結及其能帶圖異質結及其能帶圖異質結：異質結：兩種禁帶寬度不同的半導體材料，通過一定的生長方法所形成的結。半導體中是兩種不同單晶半導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)不同的半導體單晶材料構成的晶體界面，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)（）。同質結：同質結：由兩種禁帶寬度相同的半導體材料構成的結。由同種材料構成的結。（廣義）由構成異質結的兩種半導體材料的摻雜（或由構成異質結的兩種半導體材料的摻雜（或導電）類型，可將異質結分為導電）類型，可將異質結分為:異型異質結：異型異質結：P-

3、n，p-N；同型異質結：同型異質結：n-N，p-P。P，N寬帶隙材料；p，n窄帶隙材料。突變結、緩變結突變結、緩變結：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逐漸變化，其厚度可達幾個載流子擴散長度。電子親和勢：一個電子從導帶底轉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)：將一個電子從費米能級EF處轉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值畫出兩種半導體材料的能帶圖，如圖2.1-1所示兩種材料形成異質結后應處于同一平衡系統(tǒng)中，

4、因而各自的費米能級應相同，而各自的、 仍維持原值不變；畫出空間電荷區(qū)（由內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（彎曲總量為兩邊費米能級之差，每側彎曲程度由費米能級與本征費米能級之差決定，由摻雜濃度決定）；而各自的、Eg不變。原來兩種材料導帶、價帶位置之間的關系在交界處不變。 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（無外界作用）的情況，當在結兩邊加上正向電壓Va后，它在結兩邊空間電荷區(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。異質結的電流-電壓特性 12()expexpcDpDNBBEeVeVAAk Tk T)(exp/ )(exp1122TkVeVEATkVVeAJBDpcBDN221exp(/)exp(/)exp(/)DNBBBJAeVk TeVk TeVk T100kTqVppnnnpeLDpLDnqj二、突變同型異質結 )/exp()/)exp(/exp(211TkeVTkeVTkeVBJBBBD2.2 異質結在半導體光電子學器件中的作用 一、在半導體激光器中的作用 1. pN異型異質結處在正向電壓時，異質結勢

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)，這種異質結有助于載流子從寬帶隙區(qū)向窄帶隙區(qū)的注入，同時該異質結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.同型異質結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結都能產(chǎn)生光波導效應，從而限制有源區(qū)中的光子從該區(qū)向寬帶隙限制層逸出而損失掉。n1n3.4.在實際激光器的結構中，需要生長一層與前一層摻雜類型相同但雜質濃度很高（1020/cm3）的蓋帽層（或頂層），這種同型異質結可用來減少與相繼的金屬電極層之間的接觸電阻，實現(xiàn)良好的歐姆接觸。 二、異質結在發(fā)光二極

8、管（LED）中的作用 光信息領域中使用的LED和半導體激光器一樣，也是采用多層異質結構，其作用同樣是載流子限制、光子限制，減少內部損耗。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結，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、異質結在光電二極管探測器中的應用作為光探測器，希望它有寬的光譜響應范圍和高的光電轉換效率。在包含有異質結的光電二極管中，寬帶隙半導體成為窄帶隙半導體的輸入窗，利用這種窗口效應，可以使光電二極管的光譜響應范圍加寬。如圖2.2-1(a)，異質結由寬

9、帶隙Eg1和窄帶隙Eg2兩種半導體組成，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。透過半導體1的光子，如果能量滿足hEg2，則它被半導體2吸收，吸收譜線如圖中實線。顯然，圖中陰影部分表示這種結構的光探測器能有效工作的范圍，入射光子應滿足Eg1hEg2。如圖(b)中表示同質結的情況，可見這種結構半導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)泊松方程推導教材中的（2.1-5）， （2.1-6）， （2.1-7），根據(jù)結電容的定義推導 （2.1-9）式。2、什么是異質結？異質結在半導體激

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

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技術生長GaAs而構成異質結的技術正不斷發(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，與之對應的電子能級就是表面態(tài)。表面態(tài)。 一般認為，構成異質結的兩種不同半導體之間嚴格的晶格常數(shù)匹配是獲取性能良好的異質結的重要條件，否則在異質結表面就會產(chǎn)生所謂的懸掛鍵。復合中心：能夠促進復合過程的雜質和缺陷。 晶格常數(shù)：晶體學晶胞各個邊的實際長度失

12、配位錯：兩種材料晶格常數(shù)不相等，界面處形成位錯。 異質結界面上由懸掛鍵引起的界面態(tài)密度與半導體結構和晶面有關，不同晶面上界面態(tài)密度不同，在具有面心立方結構的金剛石和閃鋅礦晶體中（100）（110）（111）晶面上生長的異質結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體的載流子注入與復合產(chǎn)生影響，使非輻射復合速率增加，從而使內量子效率降低。 a. 越過勢壘的空穴在n區(qū)內復合，b.越過勢壘的空穴與界面態(tài)復合，c. 隧穿勢壘的空穴在n區(qū)內復合，d. 隧穿勢壘

13、的空穴與界面態(tài)復合。 dENvsISthn21aaa)(8020aaavSnth%100)(0aa0212aaa晶格失配率 界面復合速度： 雙異質結激光器中若兩個異質結之間的距離為d，當體內復合與界面態(tài)復合并存時，則注入載流子的有效復合壽命可表示為 nrreffds12111)21 (nrrrids內量子效率 effr11rnr1)21 (dsri內量子效率與晶格失配率成反比。 實際半導體光電子器件的異質結都是在某一襯底材料上外延生長所形成的，外延層的質量取決于襯底材料本身結晶的完美性，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 ( 一般認為，晶格不匹配的異質結在性能上是不穩(wěn)定的，但隨著MBE（Molecular Beam Epitaxy取向附生）、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition金屬有機化學氣相沉積）等外延技術的發(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變的形式來彌補，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可以生長所謂應變異質結，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）方面獲得廣泛的應用。 作業(yè): 教材73頁第5題另： 1、在藍寶石襯底上生長氮化鎵（GaN）產(chǎn)生藍色的LED和LD已經(jīng)分別在白光照明和大容量存儲中獲得應用，然而，這些異構異質外延生長都 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）面上生長異質結是比較理想的？ 4、以圖2.3-1所示的nP結為例說明在實際的異質結中可能存在的幾種復合過程。 5、InGaAsP外延層和InP襯底之間可以實現(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 對激光器異質結材料的要求 一、直接帶隙，從激射波長出發(fā)來選擇半導體激光器材料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，相應造成激射波長的漂移。 在半導體中，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，即半導體激光器的激射波長紅移 二、從晶格匹配來考慮異質結激光器材料三、由異質結的光波導效應來選擇半導體激光器材料nn/3-7% n=3.590-0.710 x+0.091x2 在半導體中摻雜濃度、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)的光波導效應，在開始同質結中人們用這種摻雜來達到粒子數(shù)反轉條件，現(xiàn)在異質結不用了，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，這樣才能提高半導體激光器的性能。 四、襯底材料的考慮 1.襯底應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成。 2.襯底本身的位錯密度應盡可能小，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、半導體激光器對異質結的基本要求有哪些？、半導體激光器對異質結的基本要求有哪些？ 2、寫出、寫出GaAs半導體：

20、帶隙與載流子的濃度關系式。并以此分析說明在半導體：帶隙與載流子的濃度關系式。并以此分析說明在GaAs半導體中載流子濃度的增加會導致一些什么樣的現(xiàn)象發(fā)生。半導體中載流子濃度的增加會導致一些什么樣的現(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、對于異質結激光器，一般希望有

21、源區(qū)和限制層的相對折射率在一個什么、對于異質結激光器，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？哪邊的折射率相對要高一些？樣的范圍之內？哪邊的折射率相對要高一些？ 5、在半導體中，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、對于多層結構的、對于多層結構的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 異質結對載流子的限制異質結對載流子的限制 異質結限制載流子的能力與勢壘高度、結溫度等因素有關，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合釋放能量，將惡化器件的性能，下面分析異質結對載流子的限制。 一、異質結勢壘對電子和空穴的限制 cEe（VD-Va）和 VE 以GaAs為例定量說明異質結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)內產(chǎn)生粒子數(shù)反轉需要注入的載流子濃度約為(1-1.3)1018/cm3，為達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。考慮pN異質結對空穴的限制時，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)生輻射復合的載流子，使內量子效率降低，閾值電流密度提高，結溫升高，溫度穩(wěn)定性差。 三、載流子泄漏對半導體激光器的影響 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異質結激光器中，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)象對雙異質結半導體激光器有

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、載流子泄漏對半導體激光器有什么影響？第四章 異質結半導體激光器 4.1 概述4.2 光子在諧振腔內的振蕩4.3 在同質結基礎上發(fā)展的異質結激光器4.4 條形半導體激光器4.5 條形半導體激光器中的增益波導4.6 垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）4.7 分布反饋（DFB）半導體激光器4.1 概述一臺激光器一般由工作物質、激勵源和光學諧振腔三部分組成 工作物質激勵源光學諧振腔根據(jù)工作物質不同有氣體、固體、染料、半導體、化學等種類的激光器。 對于半導體激光器也是由這三部分組成的。工作物質也叫

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，半導體激光器具有層狀結構,其作用相當于固體激光器的聚光腔，半導體激光器的諧振腔不是由外加反射鏡構成，而是利用半導體本身的晶體解理面形成內反射腔，這使得半導體激光器結構很緊湊，避免了外加諧振腔可能產(chǎn)生的機械不穩(wěn)定性，半導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。 1962年同質結LD，Jth達到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異質結并很快研制出單異質結LD，Jth達到8.6103A/cm2，下降一個數(shù)量級，從而實現(xiàn)了室溫下脈沖工作，1970

27、年，雙異質結Jth量級又下降一個，實現(xiàn)連續(xù)室溫工作，迅速在光纖通信、光信息處理領域廣泛應用。 作業(yè): 1、激光器的基本結構由哪幾部分組成？半導體激光器的諧振腔有什么突出特點？ 2、半導體激光器的結構從1962年問世到1970年開始利用，經(jīng)歷了哪3個階段？量子阱材料的半導體激光器有什么特點？ 3、從20世紀70年代中期開始相繼出現(xiàn)了一些不同結構特定、高頻響應特性好、熱穩(wěn)定性好的單縱模激光器，舉例進行說明。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光子在平行腔內增益介質中振蕩的示意圖4.2 光子在諧振腔內的振蕩 )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為介質的內部損耗系數(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、什么是半導體激光器的閾值條件? 它對諧振腔內光子有什么要求？ 2、推導光子在腔內形成穩(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 在同質結基礎上發(fā)展的異質結激光器在同質結基礎上發(fā)展的異質結激光器 一、同質結激光器n+-GaaAsp+-GaaAs同質結遇到的困難是，閾值電流密度高，而且隨溫度發(fā)生劇烈變化， 電子擴散長度增加 光波導效應 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散長度小得多

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

31、導體激光器的輸出功率和輸出光束的相干性，使光子從信息領域擴展到以光為能量載體的材料加工領域。 作業(yè): 教材138頁第1題另：1、描述單異質結半導體激光器的結構。解釋說明其相對于同質結的優(yōu)越性。并說明其缺點。 2、描述雙異質結半導體激光器的結構。并簡要說明其優(yōu)點。 3、畫出雙異質結N-GaAlAs/p-GaAs/P-GaAlAs雙異質結激光器在垂直于結平面方向的能帶圖，折射率分布和光強分布圖。 3、目前對半導體LD的研究主要集中在哪些方面？4.4 條形半導體激光器條形半導體激光器 異質結LD的進一步研究發(fā)現(xiàn)，僅僅在垂直于結平面方向（橫向）對有源區(qū)的載流子和光子進行限制的寬面異質結LD有許多不足之

32、處。側向（平行于結平面）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， 在很多應用中要求LD有很好的橫模橫模（包括側模）括側模）特性。一些應用中，要求有盡可能圓對稱的遠場遠場光斑光斑. .可行的途徑是在LD有源層的側向也對其內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、條形半導體激光器的優(yōu)點 由于有源區(qū)側向尺寸減小，光場對稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率；因為在側向對電子和光場有限制，有利于減少激光器的閾值電流和工作電流，有利于提高電-光轉換效率。例如掩埋條形LD，I

33、th可達5mA以下，Pout達10mW以上；在這種結構中，由于工作時產(chǎn)生熱量的有源層被掩埋在導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；有利于改善側向模式。 二、條形激光器的種類 按它們在側向的波導機構，可分為兩類，即增益波導與折射率波導。增益波導是利用載流子密度在有源層側向的非均勻分布，而使有源層中心部分的增益（或復介電常數(shù)的虛部）高于其兩側，形成所謂的“增益波導”。側向折射率波導是由有源層與其兩

34、側材料的折射率差來實現(xiàn)的。 按有效折射率變化的大小而產(chǎn)生波導作用的強弱來分，有弱折射率波導和強折射率波導LD之分 增益波導增益波導LD：氧化物條形擴散條形質子轟擊條形橫結條形N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 氧化物條形質子轟擊條形擴散條形橫結條形弱折射率波導 強折射率波導激光器 1.腐蝕臺面掩埋異質結LD 2.雙溝平面掩埋異質結構LD 3.V槽或溝道襯底掩埋異質結構LD 4.臺面襯底掩埋異質結構LD N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 腐蝕臺面掩埋異質結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.雙溝平面掩埋異質結構LD P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP N-InP InGaAsP V槽或溝道襯底掩埋異質結構LD 三、條形三、條形LD中的中的側向電流擴展側向電流擴展和和側向載流子擴散側向載流子擴散 N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 側向電流擴展和側向載流子擴散 edyJNfdyNdD/ )()(2

36、212)(1)()(ssysJyJ21)(sJeTtmksrB假設：有源層厚度沿y方向不變；不考慮俄歇復合；忽略異質結界面影響電流在閾值以下。edyJNfdyNdD/ )()(2200ydydNlim( )0yN y有效限制載流子側向擴散的方法有：1.由于注入載流子濃度正比于注入電流，因而限制電流，氧注入好于質子轟擊；2.pn結橫向限制和垂直于結一樣，多子限制少子注入3.橫向用異質結.橫向用異質結橫向用異質結 作業(yè): 教材138頁第2,3題另：1、條形激光器按它們在側向的波導機構可以分為那兩類？有什么區(qū)別？4.5 條形激光器中的增益波導條形激光器中的增益波導 條形LD的側向光波導性質，可以分成

37、折射率波導與增益波導，增益波導LD沒有內部的側向材料折射率差來導引光波，唯一的側向變化是由注入電流的側向擴展和載流子的側向擴散所決定的載流子濃度在有源層內分布。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，而向兩側逐漸減少，因而受激輻射復合速率和增益也有類似的變化，把這一物理事實稱為“增益波導”。增益波導在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)生側向擴展，因此增益波導相對于折射率波導是一種弱波導，有源層內產(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。 與載流子分布有關的波導效應還有，反波導和自聚焦效應反波導和自聚焦效應，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，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向產(chǎn)生一個反分布（反波導）其結果是對光束產(chǎn)生散焦，增加光場的泄漏損耗，稱反波導效應，自聚焦效應，即在強的受激發(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區(qū)域的折射率，結果是光場能量向中心會聚。由于增益波導中有上述一些復雜的過程，分析比折射率復雜得多增益波導分析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光強分布的半功率點或高斯光束的有效寬度 gnSW)0(68. 72040增益波導增益波導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地