單異質(zhì)結(jié)半導體激光器

單異質(zhì)結(jié)半導體激光器第一頁，共16頁。什么是異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)結(jié)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(jié)就稱為半導體異質(zhì)結(jié)。

第二頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)在半導體異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(jié)稱為突變結(jié)，過渡層大于這一厚度的結(jié)則為緩變結(jié)，突變異質(zhì)結(jié)是一種理想的情況。第三頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)在這種理想的情況下，由于構(gòu)成異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)模型，他的研究表明在突變異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料的電子親和勢差較強，它大大降低了界面處的電場，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(zhì)結(jié)用作發(fā)光器件時具有同質(zhì)結(jié)所不具備的優(yōu)點。第四頁，共16頁。例如，p型是窄禁帶而n型是寬禁帶材料的異質(zhì)結(jié)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(jié)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。第五頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)若p區(qū)做得很薄，就可以限制電子在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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)半導體激光器降低了一個數(shù)量級。第六頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)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(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的想法，這種異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率。第七頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)的發(fā)展早期的研究結(jié)果表明，只有構(gòu)成異質(zhì)結(jié)質(zhì)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(shù)成熟，又相繼研制成功了室溫脈沖和室溫連續(xù)工作的GaAs/GaAlAs異質(zhì)結(jié)激光器，Panish等人研制GaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其閾值電流密度已降到1.6KA/cm2。在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提高了幾倍，因此它的光場限制因子增大，光場向外側(cè)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(gòu)成光波導層，有利于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，便于降低其工作閾值電流密度。另外，由于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)比同質(zhì)結(jié)具有更高的載流子注入效率，理所當然地這種結(jié)構(gòu)的激光器具有更好的器件性能。第八頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)的發(fā)展第九頁，共16頁。異質(zhì)結(jié)的組成它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層,如GaAs,AlGaAs所組成,閥值電流密度比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級,但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。第十頁，共16頁。如圖1(a)所示，這種單異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)是在GaAs的pn結(jié)的P型GaAs一側(cè)上再生長一層P型AlGaAs半導體的三層結(jié)構(gòu)。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。第十一頁，共16頁。第十二頁，共16頁。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GaAs—AlGaAs異質(zhì)結(jié)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。第十三頁，共16頁。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(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度目前一般為(10～15)×103A／cm2，比GaAs同質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度(10～100)×1