單異質結半導體激光器.ppt

1、精選ppt課件1單異質結單異質結半導體半導體激光器激光器s120100031-費窮Single heterostructure laser diode精選ppt課件2什么是異質結異質結就是禁帶寬度不同的兩種材料，在原子尺度上形成完美界面的材料，由于這兩種材料的能帶結構不同，因而在界面上的能級匹配就有很多變化，還可以把各種類型的異質結結合在一起充分發(fā)揮它們的功能。最基本的接觸界面有：半導體與半導體，金屬與半導體以及絕緣體與半導體之間的界面。由兩種不同的半導體材料組成的結就稱為半導體異質結。 精選ppt課件3異質結在半導體異質結中，如果兩種半導體材料的晶格常數(shù)相差很大（大于1%），由于晶格失配，在

2、交界面處形成許多缺陷能級，這是一些使發(fā)光猝滅的深能級。因而在實際應用中，例如，選作激光二極管的半導體異質結則應是由晶格匹配的兩種半導體組成。在晶格匹配的半導體異質結中，兩種材料在界面處相互滲透或擴散會形成一層過渡層，過渡層的厚度小于幾個原子層的結稱為突變結，過渡層大于這一厚度的結則為緩變結，突變異質結是一種理想的情況。 精選ppt課件4異質結在這種理想的情況下，由于構成異質結的兩種半導體材料的禁帶寬度、電子親和勢及電容率的差別，在界面處會出現(xiàn)能帶的“飛起”、“凹陷”、“尖峰”等現(xiàn)象。安德森提出了這種理想的異質結的能帶結構模型，他的研究表明在突變異質結中，由于兩種材料的電子親和勢差較強，它大大降

3、低了界面處的電場，因而在導帶和價帶中出現(xiàn)了較強的尖峰和階躍，這就使異質結用作發(fā)光器件時具有同質結所不具備的優(yōu)點。 精選ppt課件5例如，p型是窄禁帶而n型是寬禁帶材料的異質結在價帶中產(chǎn)生一階躍，顯然，空穴從p區(qū)進入n區(qū)時所越過的勢壘大于電子從n區(qū)進入p區(qū)所越過的勢壘。因此，外加正向偏壓后，電子從n區(qū)向p區(qū)的注入比空穴從p區(qū)向n區(qū)的注入大得多，這就大大提高了注入效率，從而提高了發(fā)光效率。我們知道，pn結發(fā)光器件發(fā)光主要發(fā)生在p區(qū)，如果這時在p區(qū)外再生長一層寬禁帶的p型材料，那么在外加正向偏壓作用下由n區(qū)進入p區(qū)的電子受到寬禁帶p+區(qū)勢壘的阻擋。 精選ppt課件6異質結若p區(qū)做得很薄，就可以限制電

4、子在p區(qū)內(nèi)的擴散長度，使電子的復合區(qū)域被限制在一個很薄的范圍內(nèi)，大大提高了注入載流子在p區(qū)內(nèi)的濃度，有利于增加載流子復合的幾率，提高復合區(qū)的光密度。不僅如此，p區(qū)發(fā)出的光子的能量等于p區(qū)禁帶寬度，但小于p+區(qū)禁帶寬度，因此當光子穿過p+區(qū)時不會被吸收。這樣，p+區(qū)就形成了光發(fā)射的窗口，p區(qū)產(chǎn)生的光很容易透過p+區(qū)出射到器件外面。1962年GaAs同質結半導體激光器研制成功，然而只能在液氮溫度下脈沖工作，缺乏實用價值。半導體發(fā)展史上一個重要突破是1967年利用液相外延的方法制成了單異質結半導體激光器，實現(xiàn)了在室溫下脈沖工作，其閾值電流密度比同質結半導體激光器降低了一個數(shù)量級。 精選ppt課件7異

5、質結的發(fā)展1963年Kroemer和Alferov等提出利用不通帶隙的半導體材料構成異質結構激光器的想法，這種異質結激光器有源區(qū)采用窄帶隙、高折射率的材料，包層（限制層）采用寬帶隙、低折射率材料。異質結結構利用兩種材料的帶隙差形成的導帶、接待的躍遷作為限制電子和空穴在有源區(qū)的勢壘，從而易于產(chǎn)生光增益，兩種材料折射率形成的折射率光波導，又可以有效地將光模限制在有源區(qū)內(nèi)進而減少了內(nèi)部損耗，提高了光電轉換效率。 精選ppt課件8異質結的發(fā)展早期的研究結果表明，只有構成異質結質的兩種材料匹的晶格常數(shù)嚴格匹配時，才能制備出性能良好的激光器件。到1970年，隨著多層材料生長技術 成熟，又相繼研制成功了室溫

6、脈沖和室溫連續(xù)工作的GaAs/GaAlAs異質結激光器，Panish等人研制GaAs雙異質結激光器，其閾值電流密度已降到1.6KA/cm2。在異質結結構中，因為有源層與包層是由不同的半導體材料生長而成，兩者的折射率差較同質結結構提高了幾倍，因此它的光場限制因子增大，光場向外側滲透的比例就較小，同時由于折射率差大，很薄的有源區(qū)足以構成光波導層，有利于形成粒子數(shù)反轉，便于降低其工作閾值電流密度。另外，由于異質結結構比同質結具有更高的載流子注入效率，理所當然地這種結構的激光器具有更好的器件性能。 精選ppt課件9異質結的發(fā)展精選ppt課件10異質結的組成 它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層,如GaA

7、s , AlGaAs所組成,閥值電流密度比同質結激光器降低了一個數(shù)量級,但單異質結激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。精選ppt課件11 如圖1 (a)所示，這種單異質結激光器的結構是在GaAs的pn結的P型GaAs一側上再生長一層P型AlGaAs半導體的三層結構。這三層半導體材料的禁帶寬度、折射率并不相同，如圖1 (b)、(c)所示。在熱平衡狀態(tài)及加正向電壓情況下的能帶如圖 1(d)、(e)所示。這種激光器的優(yōu)點是閾值低，效率高。精選ppt課件12精選ppt課件13 這種激光器的優(yōu)點是閾值低，效率高。其原因是由于AlGaAs比GaAs具有較寬的禁帶寬度和較低的折射率。由于AlGaAs的禁帶寬度比GaAs的大，一方面在P型GaAsAlGaAs異質結處出現(xiàn)了較高的勢壘，使從n型GaAs注入到P型GaAs中的電子受到阻礙，不能繼續(xù)擴散到P型AlGaAs中去；和沒有這種勢壘存在時比較，p-GaAs層內(nèi)的電子濃度增大，提高了增益。精選ppt課件14 另一方面，P型AlGaAs對來自P型GaAs的發(fā)光吸收系數(shù)小，損耗就小。而由于AlGaAs的折射率較GaAs的低，因此限制了光子進入到AlGaAs區(qū)，使光受反射而局限在P區(qū)內(nèi)，從而減少了周圍非受激區(qū)對光的吸收。單異質結激光器的閾值電流