半導體激光原理

1、半導體激光一、半導體激光器的特征半導體激光器是用半導體材料作為工作物質的一類激光器，由于物質結構上的差異，產 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。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質 結激光器室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。半導體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點，廣泛應用于激光通信、印刷制版、光信息處 理等方面。二、半導體激光器的結構與工作原理現(xiàn)以砷化鎵（GaAs）激光器為例，介紹注入式同質結激光器的工作原理

2、。注入式同質結激光器的振蕩原理。由于半導體材料本身具有特殊晶體結構和電子結 構，故形成激光的機理有其特殊性。（1）半導體的能帶結構。半導體材料多是晶體結構。當大量原子規(guī)則而緊密地結合成 晶體時，晶體中那些價電子都處在晶體能帶上。價電子所處的能帶稱價帶（對應較低能量）。 與價帶最近的高能帶稱導帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當加外電場時，價帶中電子躍遷到 導帶中去，在導帶中可以自由運動而起導電作用。同時，價帶中失掉一個電子，則相當于出 現(xiàn)一個帶正電的空穴，這種空穴在外電場的作用下，也能起導電作用。因此，價帶中空穴和 導帶中的電子都有導電作用，統(tǒng)稱為載流子。（2）摻雜半導體與p-n結。沒有雜質的純凈半

3、導體，稱為本征半導體。如果在本征半 導體中摻入雜質原子，則在導帶之下和價帶之上形成了雜質能級，分別稱為施主能級和受主 能級有施主能級的半導體稱為n型半導體;有受主能級的半導體稱這p型半導體。在常溫下， 熱能使n型半導體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導帶上，成為自由電子。而 p型半導體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，n型半導 體主要由導帶中的電子導電；p型半導體主要由價帶中的空穴導電。半導體激光器中所用半導體材料，摻雜濃度較大，n型雜質原子數一般為（2-5） x1018cm-1； p 型為（1 3） x1019cm-1o在一塊半導體材料中，從p型區(qū)到n型區(qū)

4、突然變化的區(qū)域稱為p-n結。其交界面處將形 成一空間電荷區(qū)。n型半導體帶中電子要向p區(qū)擴散，而p型半導體價帶中的空穴要向n區(qū) 擴散。這樣一來，結構附近的n型區(qū)由于是施主而帶正電，結區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而 帶負電。在交界面處形成一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和 空穴的繼續(xù)擴散.（3）p-n結電注入激發(fā)機理。若在形成了 p-n結的半導體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接 正極，n區(qū)接負極。顯然，正向電壓的電場與p-n結的自建電場方向相反，它削弱了自建電 場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用，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結向p區(qū)擴散，在結區(qū)內同時存

5、在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它 們將在注入區(qū)產生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。 這就是半導體場致發(fā)光的機理，這種自發(fā)復合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結產生激光，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態(tài)，需使用重摻雜的半導體材 料，要求注入p-n結的電流足夠大（如30000A/cm2）o這樣在p-n結的局部區(qū)域內，就能形 成導帶中的電子多于價帶中空穴數的反轉分布狀態(tài)，從而產生受激復合輻射而發(fā)出激光。半導體激光器結構，其外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一 個激光輸出窗口。夾著結區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。

6、半導體激光器的光學諧振腔是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面(110面)構成，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。一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結區(qū)就發(fā)生粒子數反轉而進行復合。三、半導體激光器的工作特性閾值電流。當注入p-n結的電流較低時，只有自發(fā)輻射產生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，p-n結產生激光。影響閾值的幾個因素：(1)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。與半導體材料結型有關，異質結閾值電流比同質結低得多。目前，室溫下同質結 的閾值電流大于30

7、000A/cm2；單異質結約為8000A/cm2；雙異質結約為1600A/cm2?，F(xiàn)在 已用雙異質結制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導體激光 器最好在低溫和室溫下工作。方向性。由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內， 發(fā)散角最大，可達20-30；在結的水平面內約為10左右3.效率。量子效率n=每秒發(fā)射的光子數/每秒到達結區(qū)的電子空穴對數77K時，GaAs激光器量子效率達70%80%； 300K時，降到30%左右。功率效率ni=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗，目前的雙異質結器件，

8、室溫時的ni最高10%，只有在低溫下才能達到 30%40%。4.光譜特性。由于半導體材料的特殊電子結構，受激復合輻射發(fā)生在能帶(導帶與價 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：77K時為840nm； 300K時為902nm。四、連續(xù)室溫半導體激光器現(xiàn)在已用雙異質結制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。其輸出波長為 900nm(近紅外光)；器件工作壽命已達數萬小時，甚至數十萬小時；功率轉換效率超過20%； 成為目前激光光纖傳輸的重要光源。為了降低閾值電流和實現(xiàn)室溫下連續(xù)運轉，通常由異種材料來構成“結”，稱為“異質結”

9、 的新結構。若在GaAs襯底的兩側各“生長”出P-GaAlAs層和n-GaAlAs層，則稱為雙異質結， 其激活區(qū)厚度d0.5umo半導體雙異質結構激光器其發(fā)光機理，仍可為電注入結區(qū)，由電子和空穴復合而產生。由于 結區(qū)是由不同的半導體材料結合而成，使得電子和空穴不再往深處擴散，而在結的交界面反 射(因折射率的差異)。于是電子積蓄在狹窄區(qū)域內，使電子濃度增高。減小擴散吸收損耗， 從而提高了光的增益，降低了閾值電流，有利于實現(xiàn)室溫下連續(xù)運轉。半導體激光器是以 直接帶隙半導體材料構成的Pn結或Pin結為工作物質的一種小型化激光器.半導體激光工作 物質有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化稼(Ga

10、As)、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(A1xGa-As)、錮 磷砷(In-PxAS)等.半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束 激勵式.絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注入，即給Pn結加正向電壓，以使在結平面區(qū) 域產生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導體激光器又稱為半導體激光二 極管.對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷， 所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上.它 們所發(fā)出的波長在

11、3-34pm之間.其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA: 雙異質結激光器，其輸出波長為750-890nm.世界上第一只半導體激光器是1962年問世的，經過幾十年來的研究，半導體激光器得到了 驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很 大的提高，其制作技術經歷了由擴散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延 法(MBE),MOCVD方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學束外延(CBE)以及它們的各種結合 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，乃至百萬小時從最初的低溫(77

12、K)下運轉發(fā)展到宰la下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦 提高到千瓦級(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡單、能將電能直接轉換為 激光能、功率轉換效率高(已達10%以上、最大可達50%).便于直接調制、省電等優(yōu)點，因 此應用領域日益擴大.目前，固定波長半導體激光器的使用數量居所有激光器之首，某些重 要的應用領域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代半導體激光器最大的缺點是: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.但隨著科學技術的迅速發(fā)展，半導體 激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高.目前

13、半導體激光器的 功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有了很大的提高.以半導體激光器為核心的半導 體光電子技術在21世紀的信息社會中將取得更大的進展，發(fā)揮更大的作用.本文對半導體激光器的工作原理、發(fā)展歷史和應用前景作一簡略的介紹.2半導體激光器的工作原理半導體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產生激光，必須具備三個基本條件：增益條件:建立起激射媒質(有源區(qū))內載流子的反轉分布。在半導體中代表電子能量的 是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現(xiàn)粒子數反轉，必須在兩 個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導帶底的電子數比處在低能態(tài)價帶頂的空穴數大很多，這靠給 同質結或異質結加正向偏壓，向有

14、源層內注人必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價 帶激發(fā)到能量較高的導帶中去.當處于粒子數反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產生受 激發(fā)射作用.要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光 振蕩，激光器的諧振腔是由半導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膜，而出光面鍍上減反膜.對F-p腔(法布里一拍羅腔)半導體激光器可 以很方便地利用晶體的與P一 n結平面相垂直的自然解理面構成F一 P腔.為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗 及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內的光場.這就必須要有足夠強的電流注入， 即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的 電流閥值條件.當激光器達到閥值，具有特定波長的光就能在腔內諧振并被放大，最后形成 激光而連續(xù)地輸出.可見在半導體激光器中，電