半導(dǎo)體激光器原理

1、專業(yè)知識(shí)整理分享半導(dǎo)體激光器原理一、半導(dǎo)體激光器的特征半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)硫化鋅(ZnS等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。二、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理現(xiàn)以砷化鎵(GaAs)激光器為例，介紹注入式同質(zhì)結(jié)激光器

2、的工作原理。1注入式同質(zhì)結(jié)激光器的振蕩原理。由于半導(dǎo)體材料本身具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，故形成激光的機(jī)理有其特殊性。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料多是晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)大量原子規(guī)則而緊密地結(jié)合成晶體時(shí)，晶體中那些價(jià)電子都處在晶體能帶上。價(jià)電子所處的能帶稱價(jià)帶(對(duì)應(yīng)較低能量)。與價(jià)帶最近的高能帶稱導(dǎo)帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當(dāng)加外電場(chǎng)時(shí)，價(jià)帶中電子躍遷到導(dǎo)帶中去，在導(dǎo)帶中可以自由運(yùn)動(dòng)而起導(dǎo)電作用。同時(shí)，價(jià)帶中失掉一個(gè)電子，則相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空穴，這種空穴在外電場(chǎng)的作用下，也能起導(dǎo)電作用。因此，價(jià)帶中空穴和導(dǎo)帶中的電子都有導(dǎo)電作用，統(tǒng)稱為載流子。摻雜半導(dǎo)體與p-n結(jié)。沒有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，稱為本

3、征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價(jià)帶之上形成了雜質(zhì)能級(jí)，分圖1924有施主能級(jí)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體;有受主能級(jí)的半導(dǎo)體稱這p型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使n型半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而p型半導(dǎo)體的大部分受主原子則俘獲了價(jià)帶中的電子，在價(jià)帶中形成空穴。因此，n型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電；p型半導(dǎo)體主要由價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電。半導(dǎo)體激光器中所用半導(dǎo)體材料，摻雜濃度較大，n型雜質(zhì)原子數(shù)一般為（25）xl018cml;p型為（l3）xl09cm-l。在一塊半導(dǎo)體材料中，從P型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結(jié)。其交界面處將形成一空間電

4、荷區(qū)。n型半導(dǎo)體帶中電子要向p區(qū)擴(kuò)散，而p型半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴要向n區(qū)擴(kuò)散。這樣一來，結(jié)構(gòu)附近的n型區(qū)由于是施主而帶正電,結(jié)區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負(fù)電。在交界面處形成一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。此電場(chǎng)會(huì)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散（見圖19-25）。圖1925（3）p-n結(jié)電注入激發(fā)機(jī)理。若在形成了p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。顯然，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它

5、們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光的機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入p-n結(jié)的電流足夠大（如30000A/cm2）。這樣在p-n結(jié)的局部區(qū)域內(nèi)，就能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。2半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。如釁19-26為結(jié)構(gòu)圖，其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個(gè)激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。電我i：,%圖1926半導(dǎo)

6、體激光器的光學(xué)諧振腔是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面(110面)構(gòu)成，它有35的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95%以上的反射率。旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合。三、半導(dǎo)體激光器的工作特性1閾值電流。當(dāng)注入P-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，P-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素：晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2

7、;單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2;雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。溫度煎高，閾值越高100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。2方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)200;在結(jié)的水平面內(nèi)約為0左右(見圖9-圖19273效率。量子效率n=每秒發(fā)射的光子數(shù)/每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)數(shù)77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達(dá)70%-80%;300K時(shí)，降到30%左右。功率效率“1=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的n

8、i最高10%,只有在低溫下才能達(dá)到30%-40%。4光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長(zhǎng)：77K時(shí)為840nm;300K時(shí)為902nmo四、連續(xù)室溫半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。其輸出波長(zhǎng)為900nm（近紅外光）；器件工作壽命已達(dá)數(shù)萬小時(shí)，甚至數(shù)十萬小時(shí)；功率轉(zhuǎn)換效率超過20%;成為目前激光光纖傳輸?shù)闹匾庠?。為了降低閾值電流和?shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通常由異種材料來構(gòu)成“結(jié)”，稱為“異質(zhì)結(jié)”的新結(jié)構(gòu)。若在GaAs

9、襯底的兩側(cè)各“生長(zhǎng)”出P-GaAlAs層和n-GaAlAs層，則稱為雙異質(zhì)結(jié)，其激活區(qū)厚度d$5um圖1928為多層結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。廠a氐圖1928半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器其發(fā)光機(jī)理，仍可為電注入結(jié)區(qū)，由電子和空穴復(fù)合而產(chǎn)生。由于結(jié)區(qū)是由不同的半導(dǎo)體材料結(jié)合而成，使得電子和空穴不再往深處擴(kuò)散，而在結(jié)的交界面反射（因折射率的差異）o于是電子積蓄在狹窄區(qū)域內(nèi),使電子濃度增高。減小擴(kuò)散吸收損耗，從而提高了光的增益，降低了閾值電流，有利于實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的Pn結(jié)或Pin結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有

10、砷化稼(GaAs)、砷化錮(InAs)銻化錮(InSb)硫化鍋(cds)蹄化福(CdTe)、硒化鉛(PbSe)啼化鉛(PhTe)鋁稼砷(AlxGa-As)、錮磷砷(In-PxAS等.半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式.絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注入，即給Pn結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管對(duì)半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，而不是在分立的能級(jí)之間躍遷，所以躍遷能量不是個(gè)確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在3-34pm之間.

11、其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為750-890nm.世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法(LPE),氣相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD方法金屬有機(jī)化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA,其壽命由幾百到幾萬小時(shí)，乃至百萬小時(shí)從最初的低溫(77K)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到宰la下連續(xù)工作，

12、輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%).便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大目前，固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代.半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)是:激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推進(jìn)，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也

13、有了很大的提高以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會(huì)中將取得更大的進(jìn)展，發(fā)揮更大的作用.本文對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作原理、發(fā)展歷史和應(yīng)用前景作一簡(jiǎn)略的介紹.2半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件:增益條件:建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較

14、高的導(dǎo)帶中去.當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜.對(duì)F-p腔(法布里一拍羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與Pn結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成FP腔.為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng).這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要

15、求必須滿足定的電流閥值條件.當(dāng)激光器達(dá)到閥值，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出.可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程對(duì)于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力.量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GalnN量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另類受激輻射過程的量子級(jí)聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導(dǎo)體導(dǎo)帶的個(gè)次能級(jí)到同能帶更低級(jí)狀態(tài)的躍遷，由于只有導(dǎo)帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件.半導(dǎo)體激光器原理(2)光電子

16、學(xué)的飛速發(fā)展主要是建立在量子力學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展上的，其中尤其矚目的就是光電子半導(dǎo)體的發(fā)展。LED,LD這些神氣的電子器件便是這一發(fā)展的結(jié)果，尤其是近期有機(jī)光電材料的發(fā)展，更加是極大的推動(dòng)著光電材料的進(jìn)步。首先半導(dǎo)體為什么會(huì)發(fā)光？當(dāng)電子從上面導(dǎo)帶跳下來進(jìn)入價(jià)帶的時(shí)候，損失了定的能量，這些能量就變成了光子發(fā)射出來，通俗的說就是發(fā)光了。半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)或PIN結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器.半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化稼(GaAs)、砷化錮(InAs)氮化鎵(GaN)、銻化錮OnSb)、硫化鍋Cds)、蹄化福(CdTe)、硒化鉛(Pb

17、Se)啼化鉛(PhT、鋁稼砷(AlxGa,-,As)錮磷砷(In-PxAS)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注人，即給Pn結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管.對(duì)半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，而不是在分立的能級(jí)之間躍遷，所以躍遷能量不是個(gè)確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在0.334um之間.其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為750-890nm

18、.世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法(LPE),氣相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD方法金屬有機(jī)化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA,直到亞mA,其壽命由幾百到幾萬小時(shí)，乃至百萬小時(shí)從最初的低溫(77K)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到在常溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%).便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大.目前