2015第10课第七章半导体异质结激光器

问题：异质结在半导体激光器中有那些应用？载流子限制光限制DBR量子阱激光器有什么特点？微分量子效率?•7.5异质结在半导体激光器中的应用•7.5.1超注入•7.5.2载流子限制•7.5.3光限制•7.5.4布拉格反射作用•7.6增益和电流的关系，量子效率和增益因子•7.7量子阱激光器•7.8半导体激光器制备目录7.5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4×103A/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。7.5.1超注入1.实现激光2.粒子数反转----3.实现这种反转—载流子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，但是利用异质结实现超注入对于同质结：7.5.2载流子限制*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。*载流子能量分布*越过势垒泄漏。由N区注入到p型有源层的电子将受到pP同型异质结势垒的限制。阻挡它们向P型限制层内扩散。同样，pN异型异质结的空穴势垒限制p型有源层的多数载流子向N限制区运动。GaAlAs/GaAs异质结：势垒：0.850.15cgvgEEEE,cvEEpP同型异质结势垒高度有Ec决定。1异质结对电子和空穴的限制1/2221/2222()3/211exp[()/]202['()]'3/211exp[(')/]20()7.23)()(7.24)nLnmEEcdEEFckTmEEcEdELEFckTLggnnEEEhh（1/2222['()]'3/211exp[(')/]20()(7.25)xnmEEcEdExEFckTxggnEEEh()(7.26)LLxxnnnnnEnnn2223/21/2121{exp[()/]1}()()()()()(7.22)ncmccchcEFkTEEEEfcccEEf电子分布对电子的限制L带中DEc以上的载流子浓度约为：1.5x1015cm-3而X导带中的载流子均在DEc以上。可以漏出有源区。nL=3.4x1015cm-3.nx=1.5x1012cm-3.1/2222()3/21exp[()/]12143()()7.27)1.610ncmEEdEEFckThEcnncm（0.318cEeVP型有源层内空穴的势垒为)DavVVE（#如果Ev较小，内建电势与外加偏压之差（VD-Va)对限制空穴起主要作用。#为提高注入到有源层内的电子浓度，必须加大Va,然而，如果Va变的太大，则空穴的势垒就会降低。1/222()2()3/211exp[()/]2143()(7.28)7.110DapvvqVVEcmEEdEFEkTppcmh这些空穴可以漏进N型无源区。对空穴的限制7.5.3异质结的光限制作用θc=arcsin(n1/n2)θc=arcsin(n3/n2)有：n2n1;n2n3光波导---又称光子限定光子被全反射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。•r21=B21f2(1-f1)p(E21)HavedifferentrefractiveindexnGaAlAsnGaAs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),,(),,(222222202202),,(),,(),,(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0.2m，为了获得很大的值，光场就必须以基模（m=0）的方式工作。2()3.5900.7100.091nxxx7.5.4布拉格反射作用29-pairAlN/GaNDBR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n1n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一种介质层的厚度为/4，即分别为d1=0/4n1和d2=0/4n2。如果这两种介质的层总数为偶数2m时，则其垂直方向上的反射率为：•可以看出:n2/n1的比值越大则越有利于获得高的R。同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。2212212}1)(1)({msmsnnnnnnR注入的载流子进入有源层后，因异质结限制作用，将主要在有源区中，我们引进“名义电流”的概念：J=Jnomd/i（7.31）i为内量子效率。7.6增益和电流的关系，量子效率和增益因子max0()(7.32)mnomgJJ12111[ln](7.33)2thiJLRR内量子效率激光器中注入的电子空穴对在体内复合发出的光子数的效率：（7.34）有源层内，由于有杂质、缺陷、界面态和俄歇复合的存在，都会使部分注入的载流子不能复合产生光，使得i1。然而i通常可达70%左右，因而它有效地将注入载流子转换为光子。空穴对数入的电子单位时间内有源区内注数单位时间内发出的光子i外量子效率它度量激光器真正向体外辐射的效率：空穴对数入的电子单位时间内有源区中注的光子数单位时间内向体外辐射out)()(eIhPoutout)(aoutoutIVPageVEh（7.35）()/()/(7.36)outththPphDIIq微分量子效率Forηi=100%,L=300μm,R1=R2=32%,andαi=20cm−1,wehaveηd=66%.(7.37)1.提高内量子效率；2.尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外的吸收损耗；3.增大限制因子；4.减少端面的反射率；5.减小腔长。提高外量子效率的途径AlGaAsAlGaAsGaAsConductionbandquantumwellValencebandquantumwell7.7量子阱激光器对于量子阱结构，由于阱宽很窄，注入效率大为提高，比双异质结更容易实现粒子数反转。AquantumwelllaserisanimprovedLED.Electronsandholesarekepttogetherinsidethesemiconductoratthecenter,whichhasasmallergap.Thatmakesiteasierforelectronstofindholes.Italsocreatesquantizedenergylevelswithahighly-concentrateddensityofstates.7.7.1量子阱激光器结构SinglequantumwellMQWorsuperlatticeFinitepotentialwells1量子阱中态密度呈阶梯状分布，导带中第一个电子能级高于原导带底EC,价带中第一个空穴能级低于原价带顶Ev,因此有E1C-E1vEg，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；11cvghEEE7.7.2量子阱的发射波长调节作用要降低阈值电流Jth,最关键的是降低J0,也就是介质达到“透明”(g=α)所需的注入电流.图2中虚线分别是体材料[(a)图]和量子阱[(b)图]的态密度,体材料的态密度与E成正比,而量子阱的态密度是常数,呈台阶状.n1,n2,n3是逐渐增加的注入载流子密度.随着注入密度的增加,介质的增益也逐渐增加,但量子阱由于它的陡直的态密度,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gth.7.7.3量子阱增益频谱的特点gmax=ag(N-Nth)(7.38)微分增益量子阱激光器的光增益-red的影响量子阱激光器的基本特征(1)-发射波长与阱宽腔长根据阱宽的优化阱宽基本特征(2)低阈值基本特征(3)窄发射光谱基本特征(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(5)高量子效率量子阱激光器基本特征(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。Comparisonofthedownwardscatteringofelectrons,(inenergyincrementsofinaquantum-wellheterostructureandinabulksemiconductor.Carriersinjectedinabulksample(parabolicdensityofstates)athigherenergyscatterdownwardinenergytoalesserdensityofstates,whichbecomesconstraining.Withineachsubbandofaquasitwo-dimensionalstructure,however,thestep-likedensityofstatesisconstantanddownwardelectronscatteringisnotconstrained,makingpossiblephonon-assistedrecombination(e.g.,1-LO)andlaseroperationLO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SchematicillustrationofthethestructureofadoubleheterojunctionstripecontactlaserdiodeOxideinsulatorStripeelectrodeSubstrateElectrodeActiveregionwhereJJth.(Emissionregion)p-GaAs(Contactinglayer)n-GaAs(Substrate)p-GaAs(Activelayer)CurrentpathsLWCleavedreflectingsurfaceEllipticallaserbeamp-AlxGa1-xAs(Confininglayer)n-AlxGa1-xAs(Confininglayer)123CleavedreflectingsurfaceSubstrate?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)7.8.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unip