半导体发光二极管

内容提要：§

11.2半导体激光器概述§11.3半导体激光器原理§11.4半导体激光器特性§11.5同质结和异质结激光器§11.6分布反馈半导体激光器§11.7量子阱半导体激光器§11.1半导体发光二极管(LED)§11.1半导体发光二极管(LED)

LED：材料为半导体，结构为pn结组成的，能发光的二极管。特点：发射波长覆盖可见光——红外——远红外，结构比较简单。是至今世界上应用最多，产量最多的光电产品。产量巨大，价格便宜，工作稳定，使用简单。发光二极管的分类：

1.按材料分类：依据芯片的材料，外延层，掺杂杂质，可大致估计出发光二极管的颜色，波长等基本特性。

2.按发光颜色分类：发光二极管的发光颜色有红，橙，绿，蓝，双色，三色等多种，以及近红外和红外等不可见的发光管。3.按器件封装：封装种类很多，有环氧树脂全包封，金属底座环氧封装，陶瓷底座环氧封装，和玻璃封装等。4.发光面特征：采用不同的表面封装，会有不同的效果，如半球状有会聚光的作用。按封装表面的形状可分圆形，方形，矩形，面发光管，侧向发光管，微形发光管等多种。5.按发光强度：发光强度小于10（mcd）毫坎德拉（cd定义：波长为550nm的单色光源发光时，若其在某一方向上辐射强度为1/681W/sr(瓦/球面度)则称此单色光源在该方向上的发光强度为1坎德拉，既1cd）为普通亮度发光管，10—100mcd为高亮度发光管，100mcd以上的称超高亮度发光管。6.按应用：有指示灯，照明灯，数码显示器，短距离光通信光源等。能带:半导体晶体由于原子间的相互作用而使能级分裂,离散的能级形成能带能带结构：能带分为价带，导带和禁带。价带:晶体中原子内层电子能级相对应的能带被电子所填满.导带:价带以上未被电子填满或者是空的能带禁带:导带和价带之间的能隙.

半导体的能带结构发光二极管原理载流子：在热运动或其他外界激发下，价带电子激发跃迁至导带，这时导带有了电子，价带有了空穴，电子和空穴统称为载流子。在热平衡时，电子在能带中能级上的分布服费米分布：

费米能级半导体能级的一个特征参量，并非实在的能级，它由基质材料掺杂浓度和温度决定，反映电子在能级上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带宽度的中间位置。价带中的能级有，导带中的能级有费米能级玻尔兹曼常数绝对温度能帶弯曲:半导体材料加入施主杂质，成为N型材料，加入受主杂质，成为P型材料。在P型和N型的交接处形成PN结。由于载流子浓度的不同而产生扩散，直至不同的费米能级处于相等位置，这时，能带产生弯曲，形成PN结势垒PN结：

pn结注入电致发光原理图Pn结接触面处有一个耗尽层，形成势垒阻碍电子和空穴的扩散。当在pn结施加正向电压时，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能量较大的电子和空穴分别注入到P区和N区，同P区和N区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量辐射复合可以发生在导带与价带之间，也可以发生在杂质能级上。根据材料能带结构的不同，将带间复合分成直接带间跃迁和间接带间跃迁半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体PN结加有正向电压时，使势垒下降，发生“载流子注入”。这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将发生复合，从而发射出某种波长的光子。由于电子与空穴复合即表示电子从导带落入价带。从而光子能量基本等于禁带宽度。

(11.2)11.3.2半导体中的光发射自发辐射:光发射时有半导体中电子和空穴的自发复合产生的，自发辐射光不具有单一波长。半导体发光二极管（LED）的发光就基于此。LED的伏安特性LED的伏安特性图LED的正向伏安特性与普通二极管大致相同，如右图所示：LED正向开启后其正向电流i与电压u的关系是M：复合因子K：玻尔兹曼常数在宽禁带半导体中，当i<0.1mA时，复合的空间电流起主要作用，此时m＝2;电流增大，扩散电流占优势时m＝1开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V、大致是1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向击穿电压一般都在-5V以上。亮度与电流的关系在自发辐射情况下，若复合区载流子辐射寿命和注入载流子浓度无关，则亮度L应与扩散电流成正比即：但由于存在非辐射复合以及隧道电流，亮度与电流的关系一般为：在低电流密度下，m＝1.3～1.5；在高电流密度下，扩散电流起支配作用，m＝1。、和发绿光的GaP亮度在高电流密度下仍近似地正比于电流密度地增加，不易饱和，适用于脉冲下使用。LED的驱动LED基本直流电路如右图所示。在工作过程中电流不得超过规定的极限值，因此应在电路中加限流电阻，其值为：为电源电压，和分别为管子的正向电压和正向电流，可在相关的产品参数表中查的一般说来，GaAs的电流选用20mA，GaP的电流选用10mA，便可得到足够地亮度LED光源的特点电压：LED使用低压电源，供电电压在6～24V，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80％。适用性：很强，每个单元LED小片是3～5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合易变环境。响应时间：其白炽灯地响应时间为ms级，LED灯为ns级对环境污染：无有害金属汞颜色：改变电流可以变色，可方便地通过化学修饰方法，调整发光二极管的能带结构和带隙，实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。价格：LED价格比较昂贵，较之白炽灯，LED的价格就可以

与一只白炽灯相当，而通常每组信号灯需300-500只LED构成。发光二极管基本结构发光二极管的结构多样,以满足不同的应用要求。从pn结结构看，有GaP之类的普通二极管，结构简单，也有复杂的如单异质和双异质结构.从发光方向看，有边发射和面发射二极管。分别对应如下两种：从封装上看，半球形，扁形以及同光纤耦合的带尾纤TO型等多种。发光二极管的基本特征发光二极管为半导体光电子器件，其基本特征包括电学特性，光学特性和光电转换特性。1.发光强度

：指发光二极管在正向工作电流驱动下发出的光强。普通发光二极管的发光强度较小，常用单位为毫坎德拉。2.发光光谱特性：半导体中参与电子—空穴复合的能带有一定宽度，而不是能级之间的载流子复合发光，这造成发光管的发射光谱较宽，通常光谱半宽度为50～150nm3.温度特性：半导体对温度非常敏感，无论发光波长还是发光强度都随温度变化而变化,温升引起红移，同时温升是载流子分布变宽，发光光谱变宽。4.发光效率和出光效率发光效率:半导体的体内复合产生的光子数同注入的电子—空穴对数之比，采用直接带隙半导体可获得较高的发光效率。出光效率:通过减少内部吸收，增大表面透过率等方法.半导体照明几千年来，古今中外的人们一直依靠日光、月光和火光进行照明，直到1879年爱迪生发明第一只白炽灯，真正意义上的现代文明才得以开始。一百多年来，照明灯具飞速发展，白炽灯、气体放电灯和各种不同类型的灯具把城市和乡村照耀的五光十色，但在我们应用的各种灯具中有80%~90%的电力转化为为热能被白白消耗掉。半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。半导体照明光源－－发光二极管(LED)具有高效、节能、环保、长寿命、抗震、抗冲击、易维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。太空看到的地球太空看到的地球照明史的发展传统照明技术白炽灯白炽灯——热光源，钨丝发光色温为2850K缺点：能源浪费（绝大多数是红外辐射）发光效率<15lm/W（<5%功率）安全问题最根本的是无法达到白日的色温（6500K）优点：价格便宜（0.5US$/Klm）发光单元可达千流明以上传统照明技术荧光灯荧光灯——冷光源，是由汞蒸汽放电产生的紫外线(266nm)激发磷光物（荧光粉）生成的一系列可见光合成发光缺点：寿命短（<10000小时）因此成本较高安全问题汞气体！优点：价格适中（2.00US$/Klm）高的发光效率（>80lm/W）和高的光通量最重要的是通过三色的混合可获得任意色温三种方法产生白光发光照明紫外LED+RGB荧光粉RGBLED兰光LED+黄色荧光粉与日光灯的白光合成原理类似，也可用不同颜色的半导体发光合成白光半导体照明技术照明要使用多少能源？美国每年大约使用3万亿度的电力。其中的20%或六千亿度的电力用于发光照明。白炽灯/卤素灯用去40%的电力却仅能产生15%的光源！荧光灯/高压放电灯用60%电力产生了85%的光源！照明市场约为US$600亿/年并缓慢地增长，~2%/年。中国使用的电力约1.65万亿度/2002，1.91万亿度/2003。其中的12%或2千亿度的电力用于发光照明。2010年，我国发电量可望达到2.7万亿度，2020年为3.5万亿度。照明用电量约3000亿度（2010年）和5250亿度（2020）。如果50%采用半导体照明，将达到照明节电40％，即年节电2100亿千瓦时的目的，其效果相当再建2.5座“三峡电力工程（总投资2000亿元人民币）”。实现这个目标可节省1.05亿吨原煤，减少1400万吨废气及尘渣排放量，对我国国民经济的可持续发展将产生重要的影响！从环保看半导体照明节能！电脑、手机等显示屏汽车高位刹车灯和示宽灯交通信号灯、路灯固态照明景观照明（霓虹灯）商用广告特种照明半导体固态照明应用领域高功率白光LED灯的应用高功率LED灯用作汽车灯：用作尾灯：用作前灯：目前，欧洲80％，亚洲20％，美国5％的车都安上LED灯，在2004年创造了5亿美元的财富价值。1.LED冷光源,工作温度60度(老矿灯2000度),防爆.

2.防静电,抗冲击.高功率LED灯用作其他照明灯：LED灯持续照明100,000个小时而白炽灯只能照明2000个小时；用LED灯照明可节约85％－90％的能源每年可节约$20Billion电能。高功率LED灯在军事上的应用：在离补给区较远的地方，用这种节能的LED灯能够达到长时间照明的要求。由于处于封闭的系统，士兵们在见不到阳光的环境中生活会破坏本有的生物钟，而利用LED灯就可以达到满足早中晚不同的照明要求，保证士兵们的健康。LED应用于道路桥梁、涵洞照明德国日本美国2000年采用LED技术的国际照明设计奖The“BurjAlArab”inDubai

半导体激光器：利用半导体产生激光的器件

优点：体积小，效率高，能直接利用电源对

输出激光调制。

激励方式：PN结注入电流激励，电子束激励,光激励，碰撞电离激励等。

工作物质：主要是Ⅲ～Ⅴ族，Ⅳ～Ⅵ族，和

Ⅱ～Ⅵ族化合物半导体。§11.2半导体激光器概述11.2.1半导体激光器简介

半导体激光器种类很多，可依据半导体材料，器件结构，输出功率和用途等不同方式划分。1.按材料划分：激光二极管主要集中在Ⅲ-Ⅴ族的AlGaAs,GaInAsP,InGaAlP,InGaNⅡ-Ⅵ族的ZnSSe,ZnO等材料，应用最多的是AlGaAs,InGaAlP和GaInAsP,InGaN2.按波长划分：分可见光，红外光，远红外光。

3.按应用领域分：半导体激光器主要应用于光纤通信，光盘存储，光纤传感，激光仪器等。

11.2.2半导体激光器的分类波长/um0.51.01.5近红外可见光InGaAsP激光器InGaAs激光器AlGaAs激光器AlInGaP激光器(红)GaN激光器(蓝)通讯系统光盘图11.2.1半导体激光器的材料、发射波长和应用分类

4.按器件结构分：半导体激光器主要以三条主线发展。

（1）依异质结构的方式发展：同质结—单异质结—双异质结—大光腔—分离限制异质结—量子阱—量子线—量子点

（2）以谐振腔的方式发展：F-P腔—分布反馈—分布布拉格反射—垂直腔—微腔等

（3）依条形结构发展：宽接触—条形结构5.按输出功率分：小功率（通常为1～10mw），大功率（1～10w，甚至100w，1000w），脉冲功率为万瓦的激光器阵列。半导体激光器电子束泵浦的半导体激光器Pn结注入的二极管光泵浦的半导体激光器雪崩泵浦的半导体激光器同质结激光器二极管量子阱有源区单异质结激光器二极管双异质结激光器二极管条形激光器二极管光栅谐振腔激光器二极管大光腔激光器二极管沟槽条形法布里-玻罗腔激光器二极管SCH(分离限制)激光器二极管DBR激光器二极管DFB(分布反馈)宽接触激光器二极管扩散条形氧化物条形解理耦合腔形水平腔形隐埋条形台面条形平面条形弯曲腔形衬底条形面发射激光器二极管图11.2.2半导体激光器结构分类受激辐射:当自发辐射光子经过已激发电子-空穴对附近时，能激励二者复合产生一新的光子现象，半导体激光二极管（LD）:若注入电流足够强，形成和热平衡态相反的载流子分布，就能形成很大的辐射密度，克服损耗，再加上谐振腔的反射反馈，便产生激光。

§11.3半导体激光器原理

电流如图为半导体二极管接触的基本结构，垂直于界面的一对平行平面可以为晶体的解理面，或经过抛光的平面构成F-P腔，其余两侧弄粗糙，以消除其他方向的激光作用。这样，可从PN结发射出单色的高定向性激光束输出pn粗糙表面半导体激光二极管基本结构§11.4半导体激光器工作特性

Lwpn+V输出11.4.1光学模和光谱特性激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个光学纵模。当平行面之间距离为半波长的整数倍时，在激光二极管内形成驻波，其模数可由半波长的数值得出：而模间隔由下式确定：对应dm＝－1模的间隔为：取dm＝－1是因为减少1对应法布里－波罗端面之间少一个半波长，即波长的增加(11.4.2)(11.4.1)(11.4.3)

激光二极管模光谱如图，通常同时存在几个纵模，其波长接近于自发辐射的峰值波长，GaAs激光器模间隔典型值0.3nm为了实现单模工作，必须改进激光器结构，抑制主模以外其他模。激光二极管模光谱低于阈值的自发辐射高于阈值的激光模结构低温下，半导体激光器的纵模结构比较清晰，但是在室温下工作时，发射光谱变得复杂，出现“丝状发光”现象，而且激光的峰值波长也向长波移动。实验证明，低温时，波长增长率约为0.046nm/K；接近室温时，波长增长率则约0.26nm/K.峰值波长在77K时为0.84um，在300K时为0.902um。

激光光谱随温度的变化：

移项整理得：

(11.4.5)(11.4.4)(11.4.6)对于多数半导体激光器，的数量级为，可忽略不计则(11.4.5)改为：合并(11.4.3)和(11.4.6)便可以得到纵模间隔表示的折射率随温度的变化率公式为：将波长换成频率，则式（11.4.3）和（11.4.6）改为(11.4.8)(11.4.9)(11.4.7)对于若仅仅由于吸收边位移而引起折射率n的变化，就可得到

由上可得，频率，和相邻纵模间隔间关系

(11.4.10)(11.4.11)

用和的实测值，便可从上式预测出半导体激光频率随温度变化的规律。右图所示的实验用的激光器，其施主浓度为。

激光器光子能量随温度上升而下降，该变化与禁带宽度随温度的变化相符谐振腔中传播的光以模的形式存在，每个模都有自己的传播常数和横向电场分布，这些模构成了激光器的横模。横模经端面出射形成辐射场，辐射场角分布沿平行和垂直于界面方向分别称为侧横场和正横场。辐射场角分布与谐振腔尺寸密切相关，横向尺寸越小，发散角越大。由于谐振腔平行于界平面方向宽度大于垂直于界平面方向厚度，所以侧横场发散角小于正横场发散角。11.4.2辐射场和偏振态

侧横场发散角可表示为,W表示谐振腔宽

度。d表示谐振腔厚度，通常只有1。故正横场发散角较大，一般为。辐射场发散角与谐振腔长度成反比，而激光

而激光谐振腔长度一般只有

几百微米，故其远场发散角

远远大于气体及晶体激光器

实际上，半导体二极管相当于一个矩形波导腔如下图，光强有一定的稳定分布，沿谐振腔轴向（z方向）的光强分布为纵模，垂直于该方向的分布为横模。横模中垂直于结平面的x方向分布为垂直横模，平行于结平面的y方向分布为水平横模。激光束发散角分布决定于横模分布。实际情况中，半导体激光器的模式难以控制，需从结构形状等方面改进，如采用“条形结构”。由于半导体激光器宽度比有源层厚度大得多，光限制仅在一个横向方向，即垂直于结平面方向。若条宽为10左右（或更小），则横向限制可导致激光器在

基模工作。

半导体激光器谐振腔端面一般是晶体解理面，对于常用GaAs异质结激光器，该晶体对TE模需要阈值增益低，TE模首先产生受激辐射，反过来又抑制了TM模。另一方面，谐振腔波导层一般很薄，对TM模吸收很大，这就使TE模增益大。因此，半导体激光器输出激光偏振度很高。注入电流逐渐增大的过程，实际上经历了三种类型的发光过程:（1）电流较小时，注入载流子较少，辐射复合不足以克服吸收的作用，此时发出光为荧光，光强较弱，带宽较宽，增益G＜0。(2)电流增大后，注入载流子增多，最终导致G＞0，受激辐射起主导作用，发出很强的光，但仍属于荧光，没有建立一定模式的振荡，所以带宽仍较宽，这种现象称为超辐射。(3)若电流进一步增大，使得G值满足阈值条件，这时发出的光才称为激光，带宽较窄，光强更强。11.4.3激光阈值特性

当电流超过阈值时，会出现从非受激辐射到受激射的突变，对应光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变。

光输出发射光谱线从原来较宽的自发辐射曲线突变到包含几个窄的模的受激辐射曲线，如下图所示。随着注入电流增加，受激辐射的纵模向长波方向平移，并且当电流增加到某一值时，出现模的跃变，主纵模转移到另外的纵模上。这是模式竞争的结果。激光器发射的光主要在垂直法布里－泊罗面的方向上。光强（光子密度）横向空间分布如下图所示：实际的理想的由于衍射，光子的分布会扩展或延伸到结两边的非有源区，于是光发射层的厚度D大于有源层的厚度d，例如GaAs激光二极管d～1um，D～10um。从理想空间能量分布图可见，在任一给定时刻，激光模中存在的总光子数仅d/D部分处于有源区中，并可由受激辐射产生附加的光子，这种效应降低了器件的有效增益。激光阈值:对应于由受激辐射所增加的激光模光子数正好等于由散射，吸收和发射所损耗的光子数。即增益为1。

对于振荡，有：（11.4.12）

阈值条件为：

g与注入电流密度有关推导（11.4.13）（11.4.14）端面功率反射系数腔长损耗系数增益系数内量子效率

可得注入的阈值电流密度为：

须注意，激光器在端面处的光端面的光输出项作为一项损耗记入，这可由项来说明。因端面发射功率到导致损耗可能不是显而易见的，但是如果把透射系数T＝（1-R）代入，并把展成级数，得

（11.4.15）（11.4.16）由式（11.4.15）可见，光子从粒子数反转区向外扩展到周围无源区，引起阈值电流密度显著增加。故应设计的激光二极管。，以获得最佳的性能。略去T的高次项，得到：式中T/L表示端面损耗系数T在整个长度内取平均值得到的损耗系数，因为T的典型值是0.6，所以略去T的高次项不能得到精确的结果，这在定量计算中是不可取的。（11.4.17）11.4.4输出功率和效率考虑在一个小的距离内的损耗，取一级近似，dz内功率损耗为或：长度2L内吸收功率是：

同理，一个双程产生的功率为：（11.4.18）（11.4.19）（11.4.20）（11.4.21）

内部功率效率输出功率

（11.4.24）（11.4.23）（11.4.22）L为长度，W为宽度，将（11.4.22）代入上式得：激光器内部产生的光功率包括串联电阻效应在内的器件总功率的效率为：

如果二极管的串联电阻可忽略，则上式可简化为

上述功率和效率公式是在达到阈值和阈值以上时成立的。若电流密度低于阈值（即振荡开始以前），则表示式中只能采用g，D，d和表示，而不能用L、R、表示.（11.4.26）（11.4.25）

半导体激光器的效率随着温度上升而下降，这时因为随着温度上升，首先是吸收增加，其次是量子效率降低。产生后一种效应是由于当温度上升，热激发使电子和空穴的能量分布扩展到较宽范围，若给定输入电流，则具有适当能量间隔的电子-空穴对就减少。这两个等价效应造成产生激光所需阈值电流密度增加。显然，若输入电流密度给定，输出功率随着温度的增加而下降。

时间相应指半导体激光器发光随注入电流而变化的快慢程度。它决定与注入的非平衡载流子的寿命

是半导体调制特性的一个重要参数。GaAs是直接跃迁材料。非平衡载流子复合很快。110k

室温调制频率：GHZ

11.4.5时间响应特性

激光二极管的关键特性是其可靠性，它对系统影响甚大。（1）突然失效

当激光二极管的光功率密度在小镜面处超过某阈值时，会突然失效。

同质结激光器阈值功率密度：300K6～8mw/异质结激光器每微米条宽损伤阈值2～4mw防静电脉冲扰动光照11.4.6可靠性

激光器在低于损伤阈值下工作，就可避免突然损坏。但是，持续几微秒的瞬态尖峰就足以毁坏激光器。故必须在连续工作时滤除瞬态尖峰，脉冲工作时避免瞬时扰动。

（2）缓变退化，导致激光器退化。经过分析和消除大部分退化机理实践。

器件寿命由1～100小时→小时。

§11.5同质结和异质结激光器同质结激光器（1962）单异质结激光器（1967）双异质结激光器（1970）同质结:半导体激光器是由于其PN界采用同种半导体材料制成而得名。

nGaAspGaAs

有源区：由空间电荷区及P区的电子扩散长度和N区的空穴扩散长度所对应区间组成。11.5.1同质结激光器困难：阈值电流密度高且随温度发生剧烈变化。

理论分析：低增益下，高增益下，关系变为线性。

实际关系更为剧烈。

故除基本增益外，尚有其他因素影响同质结半导体激光器的特性。1.有源区厚度主要由P区电子的扩散长度决定。随温度增加而增加。室温下电子扩散长度可达需要较大的注入载流子浓度来保证在如此厚的有源区内实现粒子数反转。2.较高温度下，沿同质结结平面传播的光波传播特性变坏是室温下同质结半导体激光器阈值电流密度大的又一重要原因。a:低温下结附近存在的折射率台阶，随温度升高而削弱。b:激射波长随温度升高而向长波移动。

异质结作用：a：实现光场限制；

b：将载流子限制在结区；产生较高的载流子注入效率；11.5.2异质结激光器一般采用液相外延（LPE）技术制备。

nGaAspGaAsp

利用Zn在GaAs中扩散非常快，在异质结下形成扩散p-n结。由于中电子的有效质量约为空穴的1/7，故注入电流主要是注入p型层的电子。11.5.3单异质结(SH)激光器为了有利于对光波的限制。X值可取得大一些。x：0.3～0.5

折射率：GaAs—3.58；—3.53通过电子复合，粒子反转区d：1。超过1，会导致效率下降和阈值电流密度的增加。

单异质结激光器：

优点：相对同质结激光器阈值电流密度下降。

结构简单，制备工艺容易，器件效率与双

异质结器件差不多。

缺点：只在发光结的一边，即p-GaAs和p-界面处产生对光场及载流子的限制。因此只能得到部分有效的限制作用。有源层仍较厚，室温下电流密度仍较高。

不适宜于室温下连续工作，常采用脉冲方式工作，在多种集成光学应用中广泛用作光源可输出较高脉冲功率。

双异质结激光器:有着对光和载流子最完全的限制作用，加以良好的散热装置，就能得到低阈值电流密度的室温连续工作器件。

npGaAsp

11.5.4双异质结激光器如图，基本的GaAlAs三层波导结构通常生长在重掺杂的型衬底上，并且用重掺杂的-GaAS层覆盖，以易于形成电接触。为了保证在整个p型层有粒子数反转，d<1,事实上为了产生较大的粒子数反转及光子密度，d往往减少到双异质结激光器结构使由源区两边都有限制作用，

有源层的带隙比限制层的小，折射率比限制层大。

由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性分别起着载流子限制和光限制的作用。使激光模光子和注入载流子两者都限制在很薄的粒子反转区，于是，粒子反转区内可由受激发射得到增益，所以DH激光器与其它半导体激光器相比，效率高而阈值电流最少。一.光场限制

异质结激光器的特性限制因子：对d较小的对称三层波导有近似表达式二.首先提出异质结激光器的一些研究者，并不着眼于异质结的光场限制，而取其载流子注入效率的提高和有源区的载流子限制。

结的导带不连续（）对注入电子形成

势垒。把它们限制

在p区。

n-p结价带的不连

续（）对空穴形成势垒，把它们

限制在n区。从而

提高了注入效率

由于双异质结构有助于把多数载流子和注入的少数载流子都限制在有源的p区，且光模光子也被异质结限制在有源区。所以DH激光器为在有源区中得到最大可能的粒子数反转和最大的光子密度提供了最佳条件。这是受激发射的两个主要条件，因此，DH激光器能大大超过同质结激光器。同质结单异质结双异质结

工作条件低温，脉冲脉冲室温，连续发散角10度15~20度20~40度效率10%40%40~60%阈值电流104A/cm28.16x103A/cm2102A/cm2

单模线宽～0.1~0.2nm热稳定性～

条形结构

为减小工作电流，改善器件热阻，提高散热性能，在多层结构上，使垂直于与激光方向的尺寸加以限制，控制宽度W。使结平面方向上，如垂直方向上一样对载流子和光实行限制，由此引进各种条形结构。

W。

条形结构是半导体激光器的设计和制造中的关键，对激光器的性能影响很大，直接决定了阈值电流，光谱模式等。

条形激光器形状种类：（1）电极条形

（2）台面条形

（3）质子轰击条形

（4）平面条形

（5）结条形

（6）掩埋条形

半导体激光器中，在垂直于结平面的方向上，采用双异质结构，大光腔结构，或载流子和光分别限制结构等，通过

有源区和上下限制层之间带隙差和折射率差，来实现载流子限制和光限制。而在平行于结平面的方向上，设计制造了各式各样的条形结构，通过折射率的阶跃变化或折射率的逐渐变化来实现光波导。强折射率波导时，弱折射率波导时。还可以通过增益的空间分布来实现增益光波导。条形结构的优缺点：

特点：（1）工作电流少，发热少。（2）与散热装置结合，散热性能好。

（3）可改善模式和谱线宽度。

缺点：条宽受限，不宜用于大功率输出。

增益因子有所减少，损耗有所增加。

长波长激光器用作光纤通信光源，可以大大增长通信的中继距离和提高系统的性能，特别适宜于作长距离传输系统的光源。11.5.5长波长半导体激光器目前对波长大于0.9um的长波长激光器的研究也较成熟，作为室温连续工作的长波长激光器有InGaAsP/InP激光器、GaAsSb/GaAlAsSb激光器和InGaAs/GaInP激光器。§11.6分布反馈式半导体激光器分布反馈（DFB）式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光路的发展而出现的。特点：激光振荡由周期结构（或衍射光栅)形成光耦合提供。优点：易于获得单模单频输出，容易与光纤，调制器等耦合，特别适宜做集成光路的光源。

DFB在激活层GaAs内制备上周期性波纹结构，当激活区介质的增益与光栅波纹深度满足一定要求时，即可输出激光，波长与光栅周期存在一定关系。

11.6.1激光器结构与制备

原理：“布喇格反射原理”。

关系式：

入射光与光栅垂直，

得分布反馈条件：

11.6.2DFB激光器基本原理DFB激光器和DBR激光器F-P腔半导体激光器利用解理面构成谐振腔，简单易行，但有一个弱点，即它只能在直流驱动下实现静态单纵模工作，而在高速调制状况下不能保证动态单纵模工作，增益峰值，振荡模式，工作频率都会随着驱动电流及环境温度等外部因素发生较大的变化。实现动态单纵模工作，稳定地获得单一波长的激光，最有效的方法是在半导体激光器的内部建立一个布拉格光栅，利用布拉格光栅来构成谐振腔，稳定地选择固定的波长，从而获得稳定的单纵模激光输出。含有布拉格光栅的激光器有分布反馈激光器（DFB)和分布布拉格反射激光器(DBR)

m=1：一级光栅。m=3：三级光栅。（11.30）

由于垂直于二级光栅平面方向上将出现强烈辐射损耗，故很少采用。由于一般光栅的值很小，制备困难，故一般采用三级光栅。

1.波长选择性：

发射端面激光器的光发射波长由增益谱和激光器纵模特性共同决定，往往激励若干纵模。而DFB激光器的发射波长虽然也受增益谱影响，但主要由光栅周期决定。m阶和（m+1)阶模之间的间隔一般比激光器的增益谱宽度大的多，以致只有一个辐射模能获得足够增益。故很容易实现单纵模工作。

11.6.3DFB激光器的特性2.发射光的线宽窄：发射线宽由激光器增益曲线和腔体的模选择特性的卷积决定。因为光栅比反射断面有更好的波长选择性，所以DFB激光器的发射线宽要小得多。

普通激光器：0.1～0.2nm。

DFB激光器：0.05～0.08nm。

DFB激光器的发射线宽与光栅的耦合系数k和无源波导损耗系数关系很大，直接随该两参数增大。降低工作温度也减小了发射线宽，这是因为随电子能量热分布的下降，增益曲线变窄。

DFB激光器可得到较窄的线宽，这一点在光通讯应用中显得特别重要，因为调制带宽主要受激光线宽限制。

3.稳定性好：在许多应用场合中，环境变化时，激光器发射波长和阈值电流密度的稳定性是非常重要的。发射波长随PN结结温变化在反射端面激光器中是一个严重的问题。

一般反射端面激光器漂移值：

DFB漂移值：

DFB激光器改善温度稳定性的原因：反射端面激光器的漂移遵循带隙对温度的依赖。而DFB的漂移仅遵循折射率对温度的依赖关系。

4.阈值电流密度和输出功率DFB激光器的阈值电流密度可与反射端面激光器的阈值电流密度相比较。理论计算预言，最佳的DFB激光器能输出高达50mw的连续功率。且阈值电流密度小于。事实上已经证实了连续功率可达到40mw。

区别：DBR在两端使用两个布喇格光栅，光栅在激励有源区(反转区)外面。

11.6.4分布布喇格反射式（DBR）激光器

优点：a.避免由于光栅制作过程中的晶格损伤引起的非辐射复合。b.两个光栅镜面可以单独制作以获得单端输出。（L不同，反射率不同，从反射率低面输出。）

单模工作要求：a：一个分布反射器对应激射波长必须带宽窄，反射率高。b：另一个为有最佳输出耦合，必须具有相当低的反射率。

DBR结构，透射率和反射率：

式中，是波导无源区中分布损耗系数，L是分布反射器长度，K为耦合系数，为位相常数对布拉格条件的偏差。

由于L不同，反射率不同，从而可使两分布反射器L不同，从反射低端获得单端输出。

m阶和m+1阶纵模间隔可近似表为：有效腔长为：

为两个分布反射器的长度，为有源区长度。

假设单端光功率是从长度为的低反射DFB输出。则有：1至2mm；几百

因为DBR激光器在预定波长（由光栅间隔）决定）很容易获得单端输出。故适用于集成光路的频率多路复用，它要求许多光源工作在完全规定的波长。至今介绍的激光器的结构均为端面发射激光二极管，即激光发射方平行于pn结平面，激光束是由激光器的侧面发射出的，该结构有一定局限性：1.在芯片解理成激光器管芯前，无法对单管进行性能测试。2.激光光束为一椭圆状锥体，平行于和垂直于pn结平面的光束发散角不同，光束形状不对称。3.难于实现二维光束阵列，无法实现单片集成的二维器件阵列。

鉴于此，研究发展了一种可在线检测性能，光束为对称的圆形图样，能够实现激光器集成并实现二维阵列的器件，取得了广泛应用。11.6.5垂直腔面发射激光器（VCSEL)如图VCSEL，其腔面平行于pn结平面，激光发射方向垂直于pn结平面。

为了构成谐振腔，研制出了多种镜面结构，有金属镜面，介质镜面，和分布布拉格反射器（DBR)等。

在VCSEL中，有源区很薄，既有源区连同腔面一起构成谐振腔很短的短腔激光器。同时，VCSEL的发射面不再是细窄的条形，而是半径可达几微米至几十微米的圆形。故，VCSEL激光器的结构尺寸具有两大特性：短的谐振腔和大的发光面。该特性带来了一系列独特性质：1.腔长短，使得发射光谱模式间隔很大，易实现单纵模工作，发射光谱为一很窄的单纵模。

2.发光面既大又对称，故激光光束的发散角小，仅几度。3.发光面积大，故发光面上功率密度小。即使在高功率输出时，也不会因功率密度大于临界值而出现退化，故器件寿命长。4.工作电流小：由于腔长短，有源区的体积很小，即使很小的注入电流也能获得足够高的增益而发光，故VCSEL阈值电流很小，甚至小于1mA。§11.7量子阱半导体激光器

半导体学科极其重要的前沿领域。

晶体结构：

由不同超薄层半导体材料周期性排列形成。每一薄层厚度小于电子平均自由程。（几十nm)11.6.1超晶格材料的晶体结构

根据制备相邻薄层材料差别的分类：组分型掺杂型应变型材料特点相邻两层材料组分不同组分相同，但有不同掺杂不同组分材料典型GaAs/GaAlAsN-GaAs/P-GaAsInAs/GaSb晶格特点晶格常数相近保持晶格匹配晶格常数相同保持晶格匹配晶格常数不同，出现应变场

在超晶格结构中，出现由不同材料周期性排列引起的周期性势场，其周期等于材料重复周期。这一周期远远大于晶格的排列周期，所以超晶格中人工形成的势场