第10课第七章半导体异质结激光器2

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1、问题：问题：异质结在半导体激光器中有那些应用？异质结在半导体激光器中有那些应用？载流子限制载流子限制光限制光限制DBRDBR量子阱激光器有什么特点？量子阱激光器有什么特点？微分量子效率微分量子效率?7.5 7.5 异质结在半导体激光器中的应用异质结在半导体激光器中的应用 7.5.17.5.1 超注入超注入 7.5.27.5.2载流子限制载流子限制 7.5.37.5.3光限制光限制 7.5.4 7.5.4 布拉格反射作用布拉格反射作用 7.6 7.6 增益和电流的关系，量子效率和增益因子增益和电流的关系，量子效率和增益因子 7.7 7.7 量子阱激光器量子阱激光器 7.8 7.8 半导体激光器制

2、备半导体激光器制备目录目录7.5 7.5 异质结在半导体激光器中的应用异质结在半导体激光器中的应用前苏联科学院约飞物理研究所的Alferov等宣布研制成功双异质结半导体激光器（HD-LD）。该结构是将p-GaAs半导体有源区夹在宽禁带的n-AlGaAs层和p-AlGaAs层之间，使得室温下的阈值电流降低到4103A/cm2。双异质结构半导体激光器阈值电流密度之所以能够明显降低，主要是依靠双异质结的两个作用：（1）有源区两边包层材料的带隙宽于有源区材料的带隙，这使得注入双异质结半导体激光器的载流子被有效地限制在有源区内，以利于产生高的增益；（2）有源区材料的折射率大于两边包层材料的折射率，形成的

3、光波导结构能将大部分光限制在有源区内。双异质结构激光器的问世标志着半导体激光器的发展进入了新时期。7.5.17.5.1 超注入超注入 实现激光实现激光粒子数反转粒子数反转-实现这种反实现这种反转转 载流子注入载流子注入需要多高的注入需要多高的注入粒子数反转的要求可以通过重掺实现，但是粒子数反转的要求可以通过重掺实现，但是利用异质结实现超注入利用异质结实现超注入对于同质结：对于同质结：7.5.2 7.5.2 载流子限制载流子限制*采用异质结可以限制载流子。采用异质结可以限制载流子。*限制能力与势垒高度，结温等有关。限制能力与势垒高度，结温等有关。*载流子能量分布载流子能量分布*越过势垒泄漏。越过

4、势垒泄漏。由由N N区注入到区注入到p p型有源层的电子将受到型有源层的电子将受到pPpP同型异质结势垒的同型异质结势垒的限制。阻挡它们向限制。阻挡它们向P P型限制层内扩散。型限制层内扩散。同样，同样，pN pN 异型异质结的空穴势垒限制异型异质结的空穴势垒限制p p型有源层的多数载型有源层的多数载流子向流子向N N限制区运动。限制区运动。GaAlAs/GaAs GaAlAs/GaAs 异质结：异质结：势垒：势垒：0.850.15cgvgEEEE,cvEEpPpP同型异质结势垒高度有同型异质结势垒高度有 E Ec c 决定。决定。1 1 异质结对电子和空穴的限制异质结对电子和空穴的限制1/2

5、221/2222()3/211 exp()/202()3/211 exp()/20()7.23)()(7.24)nLnmE EcdEE FckTmEEcEdELEFckTLggnnEEEhh（1/2222()3/211 exp()/20()(7.25)xnmEEcEdExEFckTxggnEEEh()(7.26)LLxxnnnnn Ennn2223/21/2121exp()/1()()()()()(7.22)ncmccchcEFkTEEEEfcccEEf电子分布对电子的限制对电子的限制L L带中带中DEcDEc以上的载流子浓度约为：以上的载流子浓度约为：1.5x101.5x101515cmcm

6、-3-3而而X X导带中的载流子均在导带中的载流子均在DEcDEc以上。可以漏出有源区。以上。可以漏出有源区。nL=3.4x1015cm-3.nx=1.5x1012cm-3.1/2222()3/21exp()/12143()()7.27)1.6 10ncmE EdEE FckThEcnncm（0.318cEeVP型有源层内空穴的势垒为型有源层内空穴的势垒为)DavVVE（#如果如果 Ev 较小，内建电势与外加偏压之差（较小，内建电势与外加偏压之差（VD-Va)对限对限制空穴起主要作用。制空穴起主要作用。#为提高注入到有源层内的电子浓度，必须加大为提高注入到有源层内的电子浓度，必须加大Va,然而

7、，然而，如果如果Va变的太大，则空穴的势垒就会降低。变的太大，则空穴的势垒就会降低。1/222()2()3/211 exp()/2143()(7.28)7.1 10Dapvvq VVEcmEEdEFEkTppcmh这些空穴可以漏进这些空穴可以漏进N型无源区。型无源区。对空穴的限制对空穴的限制7.5.3 7.5.3 异质结的光限制作用异质结的光限制作用c=arc sin(n1/n2)c=arc sin(n3/n2)有：有：n2n1;n2n3光波导光波导-又称光子限定又称光子限定光子被全反射光子被全反射同质结作用区也有微小的波导作用同质结作用区也有微小的波导作用折射率与载流子浓度有关。折射率与载流

8、子浓度有关。r21=B21f2(1-f1)p(E21)Have different refractive indexnGaAlAs nGaAs光限制因子限制因子等于有源区中的光能量同激光器中的总能量之比，它描述光场在有源层中限制的程度：对于对称波导来说，上式可简化为：dxzyxEdxzyxEyddy),(),(222222202202),(),(),(dydydydxzyxEdxzyxEdxzyxE（7.29）（7.30）光限制因子 与有源层厚度d和光场横向分布有关，后者又与有源层与限制层的折射率差、光场模的阶次m有关。一般来说，d越大，折射率差n越大，模的阶次 m 越低 光限制因子 越大。当

9、有源层厚度d很大时，趋近于1，这表明光场几乎全部约束在有源层内。对于模式阶数来说，当d一定时，显然 m 越大 便越小。双异质结的通常d小于0.2m，为了获得很大的 值，光场就必须以基模（m=0）的方式工作。2()3.5900.7100.091n xxx7.5.4 7.5.4 布拉格反射作用布拉格反射作用29-pairAlN/GaNDBR多层介质膜的反射率多层介质膜的反射率 有两种介质，如果其折射率分别为n1和n2，并且n1Eg-E1vEg，光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其，光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长小于所对应的波长，即出现了波长蓝移。由于与量发射波长小于所对应的波长，

10、即出现了波长蓝移。由于与量子阱的宽度有关，因此改变量子阱的厚度可以在相当宽的范子阱的宽度有关，因此改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长；围内改变激射波长；11cvghEEE7.7.2 7.7.2 量子阱的发射波长调节作用量子阱的发射波长调节作用要降低阈值电流要降低阈值电流J J th,th,最关键的是降低最关键的是降低J J0,0,也就是介质达到也就是介质达到“透明透明”(g g=)所需所需的注入电流的注入电流.图图2 2 中虚线分别是体材料中虚线分别是体材料(a)(a)图图 和量子阱和量子阱(b)(b)图图 的态密度的态密度,体材料体材料的态密度与的态密度与E E成正比成正比,而

11、量子阱的态密度是常数而量子阱的态密度是常数,呈台阶状呈台阶状.n n1,1,n n2,2,n n3 3 是逐渐增是逐渐增加的注入载流子密度加的注入载流子密度.随着注入密度的增加随着注入密度的增加,介质的增益也逐渐增加介质的增益也逐渐增加,但量子阱由于它的陡直的态密度但量子阱由于它的陡直的态密度,增加得比体材料快增加得比体材料快.因此较小的注入密度就能达到透明所需的增益因此较小的注入密度就能达到透明所需的增益g gth.th.7.7.3 7.7.3 量子阱增益频谱的特点量子阱增益频谱的特点gmax=ag(N-Nth)(7.38)微分增益微分增益量子阱激光器的光增益量子阱激光器的光增益-redre

12、d的影响的影响量子阱激光器的基本特征量子阱激光器的基本特征(1)(1)-发射波长与阱宽发射波长与阱宽腔长根据阱宽的优化阱宽基本特征基本特征(2)(2)低阈值基本特征基本特征(3)(3)窄发射光谱基本特征基本特征(4)(4)高特征温度热效应问题一直是人们关注的焦点问题。改善半导体激光器温度特性是半导体激光器高温、高功率工作的关键因素之一。热效应对半导体激光器性能的这种严重影响,使人们在研究和改进激光器件的过程中特别注意采取各种办法降低热量的产生或减弱器件对热的敏感性。所以设计一种具有高特征温度的激光器是改善半导体激光器温度特性的重要环节。基本特征基本特征(5)(5)高量子效率量子阱激光器基本特征

13、(6)-高光增益的偏振方向选择性223*2CVVehCVTupeurdFFupeuM增益谱公式中TETM偏振选择性之来源-导带至不同子帶间跃迁速率不平衡。Comparison of the downward scattering of electrons,(in energy increments of in a quantum-well heterostructure and in a bulksemiconductor.Carriers injected in a bulk sample(parabolic density of states)at higher energy scatte

14、r downward in energy to a lesser density of states,which becomes constraining.Within each subband of a quasi two-dimensional structure,however,the step-like density of states is constant and downward electron scattering is not constrained,making possible phonon-assisted recombination(e.g.,1-LO)and l

15、aser operationLO量子阱激光器基本特征(7)声子协助受激发射量子点,量子线,超晶体激光器应变自组装In0.4Ga0.6As/GaAs(311)量子点AFM照片Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripecontact laser diodeOxide insulatorStripe electrodeSubstrateElectrodeActive region where J Jth.(Emission region)p-GaAs(Contacting layer)n-

16、GaAs(Substrate)p-GaAs(Active layer)CurrentpathsLWCleaved reflecting surfaceEllipticallaserbeamp-AlxGa1-xAs(Confining layer)n-AlxGa1-xAs(Confining layer)123Cleaved reflecting surfaceSubstrate 1999 S.O.Kasap,Optoelectronics(Prentice Hall)7.8.7.8.半导体激光器制备半导体激光器制备量子级联激光器 耦合多量子阱超晶格激光器量子级联激光器 unipolar lasers:rely only on the one type of carriers下面回顾 双异质结或量子阱激光器PHOTONQUANTUM WELL ORQUANTUM DOTCONDUCTING BAND粒子数反转粒子数反转:In Biased SL,Level 3 Population outnumbers Population of Excited State 2321