第9次半导体激光器

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1、Si GeGaAs1962GaAsGaAlAs-GaAsIIIVGaAsIIVICdSIVVIPbSnTe 元素半导体半导体 化合物半导体年研制出第一台半导体激光器，同质结激光器。1970年研制成功在室温下连续工作的双异质结激光器。族化合物半导体（）半导体激光族化合物半导体（硫化镉）器的材料族化合物半导体（铅锡碲）6-3 半导体激光器半导体激光器SiGeGaAsGaP一、半导体基础知识1、电子的共有化运动和：金刚石结构，两个面心结构沿体对角线方向移动四分之一距离。和：闪锌矿结构，亦为两个面心结构沿体对角线方向移动四分之一距离，区别为两个面心结构为不同原子构成。原子之间通过共用电子对间的库仑作用

2、结合，共用电子对产生共有化运动。13GaAsGas 4pAss 4p22以为例，原子序数分别为：31 4 33 4：在半导体中，最外层电子不仅会受到自己所属原子核的作用，同时还会受到相邻原子的作用，电子运动的轨道发生重叠，电子可以从一个原子转移到相邻原子，再通过轨道重叠，电子可以转移到更远的原子上去，最终电子在整个晶体内运动。此时，最外层电子已不再属于某一个原子，而是为整个晶体所共有，电子的这种运动称为共有共有化运动化运动。NN2、能级结构量子力学证明：在晶体的形成过程中，当 个原子相互靠近时，由于相邻原子的扰动，原子中的能级分裂为 个新能级。由于原子的个数非常多，新能级数目很大，相邻能级的能

3、量差很小，近似为连续的能级，即构成了能带。能带与能带之间不允许电子存在，称为禁带。由价电子能级（基态能级）分裂的能带称为价带；由激发态能级分裂得到的能带称为导带。价带与导带之间为禁带，之间的宽度称为禁带宽度。GaAsGeSi被电子填满的能带满带无电子填充的能带空带在温度较低时，、等半导体材料的价带为满带，导带为空带。在温度较高时，电子由于热运动可以跃迁到导带上。同时，在价带上留下一个空位，称为空穴。PNGaAsIIIV3、本征半导体和掺杂半导体纯净的、不掺杂的半导体本征半导体自由电子和空穴很少。的是掺杂半导体。型半导体（空穴多）掺杂半导体型半导体（电子多）以为例，族常用化合物。GaAsVI0.

4、003eVN在内掺入族元素，会在导带下面形成杂质能级。由于杂质能级与导带底的能量差很小，电子很容易跃迁到导带中去，同时在原来的能级上形成空穴。这种杂质称为施主杂质，相应的能级为施主能级，掺入施主杂质的半导体称为电子型半导体或 型半导体。IIGaAsZneVP掺入 族元素，在价带上面形成受主能级，价带上的电子在热激发下，可以跃迁到受主能级上，同时在价带中形成空穴。中受主杂质的电离能为0.024，掺入受主杂质的半导体称为空穴型半导体或 型半导体。NPNP掺杂浓度低，杂质能级分立；掺杂浓度高，形成杂质能带。对半导体掺杂，可显著提高导电能力，半导体中的电子和空穴都可以起到导电的作用，称为载流子。型半导

5、体中的电子多数载流子型半导体中的空穴载流子型半导体中的空穴少数载流子型半导体中的电子234E1()1 1.38 10/FeE EkTFfEekkJKTE、电子和空穴的统计分布半导体中的电子满足费米-狄拉克分布率，即：在热平衡条件下，一个电子占据能量为 的能级的几率为：玻耳兹曼常数，（）绝对温度费米能级，表示电子填充该能级几率 为50的能级。Fa1E E()50%20()10()0eFFeFefEEEEEkTfEEEkTfE：本征半导体费米能级在禁带中间当=时，在价带上，且价带为满带在导带上，导带为空带导带导带价带价带FFPEPPNENNbc、重掺杂 型半导体靠近价带顶，甚至进入价带内部。型半导

6、体空穴为多数载流子。在型半导体中存在大量空穴，价带中的电子很容易跃迁到杂质能级上，从而使费米能级下降。、重掺杂 型半导体靠近导带底，甚至进入导带内部型半导体电子为多数载流子。在 型半导体中存在大量电子，这些电子很容易跃迁到导带上去，相当于电子的填充程度很高，从而使费米能级上升。()111()111FFeeE EEEkTkTfEfEee 费米能级性质：（1）费米能级为假想能级，实际上不存在，只是为了反映电子的填充水平。（2）电子与空穴占有某一能级的几率之和为1。若电子占有几率为，则空穴占有的几率为：（3）一个热平衡系统只有一个费米能级。5p-npnp-nGaAsp-npnpnnpp-n、结将 型

7、半导体和 型半导体结合在一起，在接触面上形成结。半导体激光器就是由结发出的光。在 型半导体和 型半导体两侧存在着空穴和电子的浓度差，区内的空穴向 区扩散，区内的电子向 区扩散，在结内空穴与电子复合，只剩下受主杂质离子和施主杂质离子，形成空间电荷区。DDDnpVnpeVp-neV()()FNFPEE在空间电荷区内，形成内建电场，电场方向由 区指向 区。内建电场将阻止扩散过程继续发生，完全阻止时，系统达到平衡。在界面上出现了接触电位差，电子在由 区扩散到 区的过程中，能量增加了，等于结两端费米能级能量差。在系统平衡后，费米能级为一直线。从左到右，电子填充水平不断增加；从右到左，空穴填充水平不断增加

8、。D6p-npnpeVeV-Vpnnp、加正向电压时的结在结的两端加正向直流电压时，原来的内建电场将被削弱，势垒降低，区能带下移，下降的能量为。费米能量差变为（）。更多的电子进入 区，更多的空穴进入 区。注入 区的空穴和注入 区的电子称为非平衡少数载流子。()()p()np()pnn()FNFPFNFNFPEEEEE由于非平衡少数载流子的引入，使费米能级发生了变化，已经不再适用，引入新的费米能级描述电子和空穴占有能级的情况准费米能级。记为和。在 区，能级是倾斜的，这是因为由 区扩散来的电子在扩散过程中不断与 区的空穴复合，所以电子数不断减少，不断下降。同理，由区扩散来的空穴与 区的电子不断复合

9、，所以，区的也是倾斜的。pghE电子与空穴复合，即电子由导带进入价带，多出的能量以光子的形式释放出来。光子的能量为（禁带宽度）。在半导体激光器中，这部分区域称为有源区或作用区。少数载流子扩散的平均距离称为扩散长度。电子的扩散长度大于空穴的扩散长度，所以半导体的有源区一般都靠近 区。外加电压越大，扩散长度越大。1GaAsp-npnp-np-nGaAs二、注入式同质结半导体激光器、结构1962年研制成功，半导体激光器。同质结：结由同一种材料的 型和 型构成。结正向注入式半导体激光器电子束激励的泵浦方式光激励碰撞电离激励谐振腔：结的两个端面构成平行平面腔。方法：利用晶体的自然结晶面110，端面反射率

10、：32，一般将其中的一个面镀全反射膜。2GaAs、半导体激光器粒子数反转分布条件只有重掺杂材料，在外加泵浦激励下才能形成载流子的反转分布。DGaAspneVpn重掺杂的 区和 区的费米能级，分别进入价带和导带。势垒高度为。？在 区，电子的填充水平很低，有大量空穴存在。在 区，电子的填充水平很高，有大量电子存在。pnVLLpnnppnpD施加正向电压，图中长虚线为费米能级，和分别为空穴和电子的扩散长度。施加正向电压时，势垒高度降低，区空穴向 区移动，区电子向 区移动。区和 区的费米能级发生偏离，区能级向下移动。此时的势垒高度为e(V-V)。p-nghE在结附近，导带中有电子，价带中有空穴。这部分

11、区域称为有源区。有源区内导带上的电子向下跃迁到价带上，产生电子空穴复合，多余的能量即以光子的形式辐射出来。由晶体生长的110面形成平行平面腔，在增益大于损耗时，形成激光输出。输出光子的能量近似等于禁带宽度。(,):arrarcvehCVdNdNdtdtdNdNdNB N NxdtB 在半导体内，导带和价带之间除了有受激辐射，还有受激吸收，二者同时存在。在激光输出时，产生受激辐射的速率必须大于产生受激吸收速率。为单位时间内单位体积中因受激辐射而增加的光子数。为单位时间内单位体积中因受激吸收而减少的光子数。受激辐射速率受激辐射爱因斯坦系数。()()()1()()()()()1()()()(ecch

12、vvccvvvrcvccvNNE fENNEhfEhNEEfEENEhEhfEhEhfEhEhdNB NE fE NEhdt导带上电子数为：价带上空穴数为：式中：导带中能量为 的能级密度。：导带中电子在能级 上的几率。：价带中能量为的能级密度。：价带中电子在能级上的几率。：价带中空穴在能级上的几率。)1()(,)vfEhx ()()()1()(,)0()()()()(,)0()()expexpavcvvccvccvvcarcvcvcvcvFnFpdNB NEhfEhNEdtfExBBBdNdNdNdtdtdtB NE NEhfEfEhxfEfEhEEEhEkTkT 受激吸收速率：受激吸收爱因斯

13、坦系数。且：总的光子数：11即：()()11,pnFnFpFnFpggFnFpgEEEhEEEhhEVEEEqVEVq即：()()即：()()结论：（1）导带能级的电子占有率大于价带能级的电子占有率。（2）光子能量所以，电子和空穴的准费米能级之差必须大于禁带宽度。所以，区和 区必须高掺杂。（3）正向电压 足够大，()()，即1 231ln21()tGrrLdIGdx IcIncdIdddN ghnhdNd内、阈值条件增益的定义：由关系式，可得，光强增加量为：辐射能量密度的增加量等于光子能量乘以光子个数，这里我们考虑为频率 的线型函数。()()()()()(,)()()()()()()cvcvc

14、vcvcvcvccdIddN ghnncB NE NEhfEfEhnx gh dtdtIdxB NE NEhdxfEfEhgh 1()()()()()()()()()()()()000cvcvcvcvcvcvcvtdIGdx IdtB NE NEhdxfEfEhghnB NE NEhcfEfEhghfEfEhGdIGG在粒子数反转分布时，光强得到放大。并且当时，产生激光。1 2411,111ln2GaAs35 10 A cmtmtmtttGaAsJJGJmmGGJGrrLJ内-2举例：激光器泵浦方式：加正向电流（阈值电流密度）产生激光为增益因子。同质结：；异质结。增益达到阈值时，阈值电流密度（

15、）室温下，同质结，tGG注入电流逐渐增大的过程中，经历了三种类型的发光过程。（1）电流较小时，发出的光为荧光。光强较弱，带宽较宽，以自发辐射为主。（2）电流增大，G0，受激辐射起主导作用，发出的光很强，但仍属于荧光范畴，没有建立起一定的模式，称为超辐射。（3）电流继续增大，时，产生激光，带宽很窄，光强更强。ttIIIII比较小荧光超辐射激光自发辐射为主受激辐射受激辐射，很小，光强很大无振荡模式GaAsGaAspnGaAs三、异质结半导体激光器1、结构特点对于类半导体，由同种材料构成的结，称为同质结。pnGaAsGaAlAsSH若结一侧为材料，另一侧为材料，称为异质结。若半导体激光器只有一个异质

16、结，称为单异质结（）激光器。DH若半导体激光器有两个异质结，称为双异质结（）激光器。2、平衡时异质结的能带结构v1-xxvpnP-PGaAl As-GaAs00.4eVcc由禁带宽度不同的两种材料构成结时，在界面处导带和价带都有突变，分别以 E 和 E 表示。在型异质结中，E，当x=0.3时，E。GaAsGaAs3、的折射率变化（1）掺杂浓度对材料折射率的影响结论：掺杂浓度越大，折射率越低。1-xxGaAl Asxnnx5%（2）的折射率随 的变化n=0.62xx=0时，=3.59(GaAs)x=1时，=2.71(AlAs)一般情况，=0.3，n=0.1860.186折射率突变量3.59SH四

17、、单异质结（）激光器同质结阈值高的原因：（1）正向电压较高，有源区较宽，需要很大的阈值电流。（2）同质结波导的折射率差值很小，0.11%，边界损耗大。312n n,nxz在有源区内，电子和空穴的复合使得自由载流子减少，载流子浓度降低，折射率高，即，在入射角较大时，产生全反射。方向形成驻波，方向为行波。折射率差越大，全反射临界角越小。同质结的折射率差很小（0.11%），所以损耗比较大。一般只能在脉冲条件下工作。2eV8000A cmt（1）异质结0.4左右的势垒限制电子的扩散，增大了载流子浓度。（2）5%的折射率突变，使边界损耗减小。J 下降到t-2t-2tDHLDHLDHLP GaAsdGaA

18、s/GaAlAs DHLJ77KJ100A cm300KJ1001000A cmm五、双异质结激光器（）1、的能带含有两个异质结，有源区为-，厚度为0.5。特点：（1）电子和空穴均受到异质结势垒的限制，载流子的浓度大大提高，反转粒子数越多，增益也就越大。（2）两个异质结处有5%的折射率差，边界损耗小。的时，时，DHL2、的结构（宽接触型结构）特点：工作区域宽，有源区的截面积大，工作时需要的电流大，温升高，不利于室温下连续工作。DHLm改进：质子轰击条形用直径1220的金丝或钨丝把外延片沿腔轴方向掩蔽以来，再用300600千电子伏质子轰击其余部分，使被轰击部分电阻率增高两个数量级以上，除去掩蔽物，装上电极就制作成了条形器件。tWJmADHLdm由于条形器件的工作区域宽度的减小，通电截面积减小，对应相同的阈值电流密度 所需的工作电流就大大减小，一般远在500以下。因此，温升小。条形器件的优点：（1）辐射光的面积很小，与低数值孔径的光纤（直径 小于100）易耦合。（2）有源区很小，降低了晶体缺陷的可能性，有助于提高器件长期工作的可能性。