单异质结半导体激光器

1、单异质结半导体激光器，s1120100031-高成本，single hetero structure laser diode，什么是异质结，异质结是在原子尺度上形成完美界面的两种材料，由于这两种材料的能带结构不同，界面上能量水平匹配有很大变化，并且结合各种不同类型的异质结，充分利用它们的功能最基本的接触接口是半导体、金属和半导体、绝缘体和半导体之间的接口。由两种不同的半导体材料组成的结称为半导体异质结。在异质结、半导体异质结中，两种半导体材料的晶格常数大于1%的差异时，晶格不匹配导致连接处形成许多缺陷能量水平，这是使光急剧的若干深度水平。因此，在实际应用中，例如选择为激光二极管的半导体异质结必

2、须由晶格匹配的两个半导体组成。在晶格匹配的半导体异质结中，两种材料在界面中相互渗透或扩散，形成过渡层，过渡层厚度小于几个原子层的结称为突变结，过渡层大于此厚度的结是缓慢变化的结，突变异质结是理想情况。异种性连接，在此理想情况下，构成异种性连接的两种半导体材料的带隙宽度、电子亲和力和电容的差异可能导致接口上能量带的“飞”、“凹”、“尖峰”等。安德森提出了这种理想异质结的能带结构模型，他的研究表明，由于两种物质的电子亲和力较弱，界面的电场大幅减少，导频带和原子价带中出现了强尖峰和阶跃现象，这使得异质结用作发光器件时没有同质结的优点。例如，p型是窄禁带，n型是宽禁带材料的异质结，显然，当电子从价带进

3、入n区时，有比电子从n区进入p区时穿过的壁垒更大的壁垒。因此，加正向偏移后，电子从n区向p区注入比从p区向n区注入大得多，注入效率大大提高，从而提高了发光效率。我知道Pn结发光器件发光主要发生在p区。此时，如果在p区外进一步增长宽带隙p型材料层，则从n区流入p区的电子将被加正向双压力阻挡到宽带p区屏障中。如果异质结，p区域很薄，则限制电子在p区域的扩散长度，使电子的复合区域限制在非常薄的范围内，从而大大提高注入电流者p区域内的浓度，从而提高载波复合的概率，提高复合区域的光密度。此外，p区域发射的光子的能量等于p区域禁止宽度，但小于p区域禁止宽度，因此光子通过p时不会被吸收。这将形成由p区域发射

4、光线的窗口，由p区域生成的光线通过p区域轻松地发射到设备外部。1962年开发了GaAs同质结半导体激光器，但是脉冲只在液氮温度下工作，缺乏实用价值。半导体发展史上的重要突破是1967年利用液相外延方法制作单异质结半导体激光器，实现了室温下的脉冲工作，其临界电流密度比同质结半导体激光器低了一个等级。异质结的开发，1963年，Kroemer和Alferov等提出了利用具有带隙、高折射率材料、宽带隙、低折射率材料的源区域的不使用间隙的半导体材料构成异质结构激光器的想法。异质结结构利用两种材料的带隙差异形成的导带、接收转移作为限制源区域中电子和腔的屏障，轻松地将光增益、两种材料的折射率光波导形成、光模

5、式有效地限制到源区域，从而减少内部损耗，提高光电转换效率。异质结的开发，初步研究结果表明，只有构成异质结的两个材料圆角的晶格常数严格匹配时，才能制造出性能优良的激光装置。到1970年，多层材料生长技术成熟，陆续开发了室温脉冲和室温连续工作的GaAs/GaAlAs异质结激光器，Panish等，研制了临界电流密度降低到1.6KA/cm2的GaAs双异质结激光器。在异质结结构中，活性层和包层由不同的半导体材料组成，两者的折射率差比同质结结构提高了几倍，因此光场限制因子增加，光场向外渗透的比率小，折射率低，薄的有源层足以构成光波导层，从而形成粒子数反转，容易降低工作阈值电流密度。此外，由于异质结结构比

6、同质结注入效率高，因此该结构的激光器性能当然更好。异质结的开发、异质结的构成、具有两种不同带隙的半导体材料的薄层(如GaAs、AlGaAs)，临界电流密度比同质结激光器低一级，但单异质结激光器在室温下继续工作。如图1 (a)所示，这种单异质结激光器的结构是在GaAs的pn结的p型GaAs侧重新具有p型AlGaAs半导体的三层结构。此三层半导体材料的带隙宽度、折射率未在图1 (b)、(c)中说明。在热平衡状态和加电压条件下，频带显示在图1(d)、(e)中。该激光器的优点是阈值低，效率高。该激光器的优点是阈值低，效率高。这是因为AlGaAs比GaAs具有更宽的禁带宽度和更低的折射率。AlGaAs比GaAs具有更大的禁止宽度，在p型GaAsAlGaAs异质结中产生了较高的障碍，从n型GaAs注入p型GaAs的电子受到干扰，无法继续扩散到p型AlGaAs。与没有这种壁垒时相比，p-GaAs层内的电子浓度增加，增益提高。另一方面，p型AlGaAs的发光吸收系数小，损耗小。相反，AlGaAs的折射率低于GaAs，从而限制光子进入AlGaAs区域，使光反射并限制到p区域，从而减少周围非弹性区域对光的吸收。单异质结激光器的临界电流密度目前一般为