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1、.,单异质结半导体激光器,s120100031-费穷,Single heterostructure laser diode,.,什么是异质结,异质结就是禁带宽度不同的两种材料，在原子尺度上形成完美界面的材料，由于这两种材料的能带结构不同，因而在界面上的能级匹配就有很多变化，还可以把各种类型的异质结结合在一起充分发挥它们的功能。最基本的接触界面有：半导体与半导体，金属与半导体以及绝缘体与半导体之间的界面。由两种不同的半导体材料组成的结就称为半导体异质结。,.,异质结,在半导体异质结中，如果两种半导体材料的晶格常数相差很大（大于1%），由于晶格失配，在交界面处形成许多缺陷能级，这是一些使发光猝灭的
2、深能级。因而在实际应用中，例如，选作激光二极管的半导体异质结则应是由晶格匹配的两种半导体组成。在晶格匹配的半导体异质结中，两种材料在界面处相互渗透或扩散会形成一层过渡层，过渡层的厚度小于几个原子层的结称为突变结，过渡层大于这一厚度的结则为缓变结，突变异质结是一种理想的情况。,.,异质结,在这种理想的情况下，由于构成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电子亲和势及电容率的差别，在界面处会出现能带的“飞起”、“凹陷”、“尖峰”等现象。安德森提出了这种理想的异质结的能带结构模型，他的研究表明在突变异质结中，由于两种材料的电子亲和势差较强，它大大降低了界面处的电场，因而在导带和价带中出现了较强的尖峰和阶
3、跃，这就使异质结用作发光器件时具有同质结所不具备的优点。,.,例如，p型是窄禁带而n型是宽禁带材料的异质结在价带中产生一阶跃，显然，空穴从p区进入n区时所越过的势垒大于电子从n区进入p区所越过的势垒。因此，外加正向偏压后，电子从n区向p区的注入比空穴从p区向n区的注入大得多，这就大大提高了注入效率，从而提高了发光效率。我们知道，pn结发光器件发光主要发生在p区，如果这时在p区外再生长一层宽禁带的p型材料，那么在外加正向偏压作用下由n区进入p区的电子受到宽禁带p+区势垒的阻挡。,.,异质结,若p区做得很薄，就可以限制电子在p区内的扩散长度，使电子的复合区域被限制在一个很薄的范围内，大大提高了注入
4、载流子在p区内的浓度，有利于增加载流子复合的几率，提高复合区的光密度。不仅如此，p区发出的光子的能量等于p区禁带宽度，但小于p+区禁带宽度，因此当光子穿过p+区时不会被吸收。这样，p+区就形成了光发射的窗口，p区产生的光很容易透过p+区出射到器件外面。1962年GaAs同质结半导体激光器研制成功，然而只能在液氮温度下脉冲工作，缺乏实用价值。半导体发展史上一个重要突破是1967年利用液相外延的方法制成了单异质结半导体激光器，实现了在室温下脉冲工作，其阈值电流密度比同质结半导体激光器降低了一个数量级。,.,异质结的发展,1963年Kroemer和Alferov等提出利用不通带隙的半导体材料构成异质
5、结构激光器的想法，这种异质结激光器有源区采用窄带隙、高折射率的材料，包层（限制层）采用宽带隙、低折射率材料。异质结结构利用两种材料的带隙差形成的导带、接待的跃迁作为限制电子和空穴在有源区的势垒，从而易于产生光增益，两种材料折射率形成的折射率光波导，又可以有效地将光模限制在有源区内进而减少了内部损耗，提高了光电转换效率。,.,异质结的发展,早期的研究结果表明，只有构成异质结质的两种材料匹的晶格常数严格匹配时，才能制备出性能良好的激光器件。到1970年，随着多层材料生长技术 成熟，又相继研制成功了室温脉冲和室温连续工作的GaAs/GaAlAs异质结激光器，Panish等人研制GaAs双异质结激光器
6、，其阈值电流密度已降到1.6KA/cm2。在异质结结构中，因为有源层与包层是由不同的半导体材料生长而成，两者的折射率差较同质结结构提高了几倍，因此它的光场限制因子增大，光场向外侧渗透的比例就较小，同时由于折射率差大，很薄的有源区足以构成光波导层，有利于形成粒子数反转，便于降低其工作阈值电流密度。另外，由于异质结结构比同质结具有更高的载流子注入效率，理所当然地这种结构的激光器具有更好的器件性能。,.,异质结的发展,.,异质结的组成,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如GaAs , AlGaAs所组成,阀值电流密度比同质结激光器降低了一个数量级,但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。,.,如图
7、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一侧上再生长一层P型AlGaAs半导体的三层结构。这三层半导体材料的禁带宽度、折射率并不相同，如图1 (b)、(c)所示。在热平衡状态及加正向电压情况下的能带如图 1(d)、(e)所示。这种激光器的优点是阈值低，效率高。,.,.,这种激光器的优点是阈值低，效率高。其原因是由于AlGaAs比GaAs具有较宽的禁带宽度和较低的折射率。由于AlGaAs的禁带宽度比GaAs的大，一方面在P型GaAsAlGaAs异质结处出现了较高的势垒，使从n型GaAs注入到P型GaAs中的电子受到阻碍，不能继续扩散到P型AlGaAs中去；和没有这种势垒存在时比较，p-GaAs层内的电子浓度增大，提高了增益。,.,另一方面，P型AlGaAs对来自P型GaAs的发光吸收系数小，损耗就小。而由于AlGaAs的折射率较GaAs的低，因此限制了光子进入到AlGaAs区，使光受反射而局限在P区内，从而减少了周围非受激区对光的吸收。单异质结激光器的阈值电流密度目前一般为(1015)103Acm2，比GaAs同质结激光器的阈值电流密度(10100)103Acm2低。,.,高功率半导体激光器的应用,激光塑料焊接、激光熔覆与表面热处理、激光金属焊接、激光达标、激光焊接,打标机,.,
