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1、1,2.7 半导体激光器,2,2.7 半导体激光器,1.半导体激光器以半导体材料作为工作物质的激光器。是实际应用中最重要的一类激光器。 2.特点超小型、高效率、寿命长、结构简单、价格便宜;采用注入电流的方式泵浦；工作电压和电流与集成电路兼容，可与之单片集成。 3.应用在光纤通信、激光唱片、光存储、全息照相、数码显示、激光打印、激光测距、医疗等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算机等新领域也将发挥重要的作用。,3,4.发展史简介1962年林肯实验室的科学家Robert Rediker, Tom Quist和 Robert Keyes等人用GaAs制成了发光二极管(LED), 发现它的辐射效率
2、很高。Robert Hall利用扩散的GaAs的pn结，将两个端面抛光成镜形成F-P腔，在1963年9月中旬研制成功半导体激光器(LD)。在77K温度下，获得830nm相干辐射的激光脉冲。1964年林肯实验室实现了室温脉冲运转，阈值电流为25安培，脉冲宽度为50纳秒。,4,1967年Henry Kressel研究出了采用异质结构的单异质结激光器。使阈值电流密度从60000安培/平方厘米降到10000安培/平方厘米以下。半导体激光器终于能够稳定的在室温下脉冲运转了。1969年GaAs单异质结激光器(脉冲)投入生产。1970年研制成功双异质结激光器。虽然可以连续运转，但是寿命不长，只有几秒到几十秒
3、。1973年, 双异质结激光器(连续)的寿命达到1000小时。,5,1975年，GaAs/AlGaAs激光器510毫瓦的商品价格为250350美元，保证寿命仅为1000小时。随着设计更加合理、工艺不断完善、检测更加严格，半导体激光器的寿命已经达到数万小时以上。二十世纪80年代中期，CD用的半导体激光器价格已经降至每只1美元左右。为了适应光纤通讯的需要，研制出了InGaAsP半导体激光器，激光波长为1.55微米，有利于在光纤中的传播。,6,近十年来，又有一些新的半导体激光技术从实验室进入生产领域，如高功率GaAlAs半导体激光器，前几年，半导体激光器的标准产品就是20瓦，现在已达60瓦(915纳
4、米)和40瓦(808纳米)。红光和绿光的半导体激光器已经大量生产。1998年全球半导体激光器的销售数量已经超过3亿只，2000年超过4亿只。半导体激光器的销售金额已经超过整管激光器销售金额的一半以上。1998年为21.49亿美元，占到整个销售金额的55.8%，1999年为28亿美元，约占整个激光器销售金额的56%。,7,5.半导体激光器的应用领域 (1)光通讯光通讯是半导体激光器的主要应用领域。1998年半导体激光器在光通信领域共售出198万余只，(在整个半导体激光器的销售数量中占0.6%，但是销售金额高达14亿美元，占65)。1999年达到18亿美元(占半导体激光器销售金额的64)。长距离通
5、讯中主要采用1.3m和1.55m激光器。,8,(2)光存储光存储是使用半导体激光器最多的领域。1998年半导体激光器在光盘领域共销售2.7亿只，占整个半导体激光器销售量的90以上。 (3)条码扫描已经取代了氦氖激光器。1998年销售1100万只。 (4)激光指示器1998年销售2000万只。 (5)高功率半导体激光器发展迅速功率大于一瓦，用于激光照排、加工、医学等。,9,一、半导体中电子的能带分布,1.绝缘体、半导体和导体材料的能带结构,10,2.半导体的导电机制 (1)空位的形成半导体价带中的一些电子在外界的作用下，可以跃迁导电导带，并在价带中留下了空位。 (2)空位的导电作用在外电场的作用
6、下，邻近能级的电子可以跃入这些空位，在这些电子原来的能级上留下了新的空位。好象空位在价带中运动一样，只不过运动的方向和电子运动的方向相反。在外电场的作用下，有些电子在原来热运动的基础上，叠加了定向运动，从而形成了电流。,11,(3)导带和价带导电性质导带中的电子愈多，其导电能力愈强；而价带中的空位愈多，其导电能力愈强。把价带中的空位看成带正电的粒子。在电场的作用下，它可以在晶体中运动，象导带中的电子一样能够起导电作用。价带中的空位，一般称为空穴。电子和空穴都能导电，统称为载流子。,12,3.本征半导体的导电性能 (1)本征半导体能带结构完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。图(a)绝对零度
7、时，不受外界作用的本征半导体能带图。 (2)本征半导体的激发半导体的禁带较窄，在热运动或其它外界因素的作用下，价带中的电子可激发跃迁到导带，如图(b)所示。本征半导体就有了导电能力。电子由价带直接激发跃迁到导带称为本征激发。对于本征半导体来说，载流子只能依靠本征激发产生。导带中的电子和价带中空穴是相等的。,13,14,4.掺杂型半导体的导电性能 (1)掺杂影响半导体性能的原因杂质原子的能级可以在半导体能级的禁带中。 (2)掺杂类型 施主掺杂在硅晶体中，掺入族元素，多余的一个电子成为自由电子参与导电。施放一个电子给硅晶体的导带，这种杂质称为施主杂质。 受主掺杂掺入族元素，它能够从半导体价带接受一
8、个电子，为价带提供一个空位。这种杂质称为受主杂质。,15,(3)电离施主(或受主)能级上的电子(或空穴)跃迁到导带(或价带)中去的过程称为电离。受主能级上空穴激发到价带的过程就是电子从价带激发到受主能级中的过程。,16,硅、锗中族杂质的电离能ED(eV),17,硅、锗中族杂质 的电离能EA(eV),18,(4)N型半导体ED离导带底能级EC较近，常温下束缚态中的电子激发到导带而使导带中的电子远多于价带中的空穴。其导电能力主要是导带中的电子起作用。这种半导体，称为N型半导体。 (5)P型半导体EA离价带顶部能级EV较近，常温下价带中的电子激发到束缚态(EA), 使价带中的空穴远多于导带中的电子，
9、导电能力主要取决于价带中的空穴。这种半导体称为P型半导体。,19,(6)载流子的种类由于杂质的电离能比禁带宽度小得多，所以杂质的数量和种类对半导体电性能影响很大。在N型半导体中，由于np，一般把电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子；在P型半导体中，pn，空穴称为多数载流子，而电子称为少数载流子。,20,5.本征半导体费米能级在本征半导体中，电子和空穴浓度相等。,ni本征载流子浓度; NC导带有效能级密度；NV价带有效能级密度；Eg=ECEV称为禁带宽度。对于任一种半导体，在热平衡时有 ： np=ni2 ni与T有关, 随T升高迅速增大。 T一定, ni是定值。在通常情况下，本征半导体的费米
10、能级为：,21,22,6.杂质半导体的费米能级对于杂质半导体，其费米能级与本征半导体的费米能级在禁带中的位置有所不同。根据统计理论的分析，可得：在极低温度下，N型半导体的费米能级位于施主能级和导带底能级的正中间; P型半导体的费米能级位于受主能级和价带顶能级的正中间。当温度升高时，N型、P型半导体的费米能级都要向禁带中央的本征半导体的费米能级靠近。,23,7.半导体PN结P型区到N型区之间的过渡区称为PN结。在PN结的形成过程中，形成了由N区指向P区的内建电场E。 8.热平衡下的PN结当PN结处于热平衡时，可得：qVD=EFn-EFp VD称为接触势差，qVD则称为势垒高度；EFn和EFp分别
11、表示N型和P型半导体中的费米能级。在热平衡时，N型半导体和P型半导体具有统一的费米能级，平衡过程实际上将两个费米能级拉平了。,24,25,二、半导体激光器的工作原理,1.产生激光的机理(1)受激吸收在电流或光的激励下，价带中的电子获得能量跃迁到导带上，价带中形成一个空穴，称为受激吸收。 (2)复合导带上跃迁下来的电子填补了价带中的空穴称为复合。 (3)自发辐射和受激辐射复合时，电子把约等于Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，放出一个频率为=Eg/h的光子，相应于自发辐射或受激辐射。 (4)激光的产生如果在半导体中实现集居数反转，使得受激辐射大于受激吸收，使光增益大于光损耗，就可以产生激光。
12、,26,2.集居数反转的形成 (1)p-n结施加正向偏压时空穴和电子的流动n区的电子流入到结区，p区的空穴也注入到结区，在结区聚集了大量的电子和空穴，导致粒子数偏离热平衡状态。注入到结区的电子和空穴可能复合而发射出光子。 (2)Efn和Efp的变化Efn向上移动，进入导带，在Efn与导带之间大量能态被电子占据； Efp向下移动，进入价带，在Efp价带之间大量的能态被空穴占据。,27,28,3.受激辐射 (1)入射光子引起受激辐射能量等于或稍大于带隙的光子入射到这种粒子数分布的材料中，可诱发电子从导带向价带跃迁，与价带中空穴复合而发射出与入射光子的特性完全相同光子。 (2)自发辐射引起的受激辐射
13、导带中的电子也会自发的向下跃迁，与价带中空穴复合发射出光子。这一发射过程称为自发辐射。在无外部光时，这些自发辐射也能引起受激辐射。两解理面可以构成谐振腔，所以光强不断增强，形成了激光。,29,4.阈值电流使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度称为阈值电流密度。半导体二极管只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光。否则，只能产生荧光。如图所示，曲线的转折点对应于阈值电流。该阈值是自发荧光和激光产生的分界点。,30,5.输出功率发光二极管的光功率峰值最多是几十毫瓦，激光二极管的光功率可达几十瓦。半导体激光器的阈值电流都比较高，例如砷化镓激光器，在T=4.2K时，阈值
14、电流为130A/平方厘米。而室温下阈值电流大于106A /平方厘米。,31,6.半导体激光器的基本结构,32,三、砷化镓(GsAs)激光器的特性,1.伏安特性GsAs激光器如图所示。 2.影响阈值电流的因素 (1)晶体掺杂的浓度越大，阈值越小； (2)谐振腔的损耗越小，阈值越小； (3)在一定范围内，腔长越长，阈值越低； (4) 在100K以下，阈值与温度的关系较小，100K以上，阈值随温度T的三次方增加。,33,34,3.方向性由于的谐振腔较短，所以激光的方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达2030。在结的水平面内，发散角约为几度。 4.光谱特性 (1) 低于阈值荧光光谱，谱
15、宽一般为几百埃。 (2) 达到或超过阈值激光光谱，谱宽约为几埃。 (3)输出波长工作波长随结构的不同而不同。,35,36,四、典型的半导体激光器,1.同质结半导体激光器p型半导体和n型半导体材料都是GsAs，所形成的p-n结称为同质结。,“光波导效应”不明显，光在激活区内有严重的衍射损失。阈值电流密度达(31045104)A/cm2。 同质结半导体激光器在室温下只能低重复率(几kHz几十kHz)下脉冲工作。,37,2.异质结半导体激光器 (1)单异质结半导体激光器 p-GaAs层内的电子 浓度增大，辐射复合 的几率也就增加了。 “光波导效应”显著； 阈值电流密度约为8000A/平方厘米。 单异
16、质结激光器只能实现室温下的脉冲振荡。能满足测距、射击模拟、激光雷达等应用。,38,(2)双异质结半导体激光器(DHL)由于两侧高势垒的限制，激活区厚度变窄，d约为0.5m。同时， “光波导效应”非常显著，使光波传输损耗大大减小。阈值电流密度更低，可降到1001000A/平方厘米。1970年实现了双异质结激光器室温下的连续运转。室温下可获得几毫瓦至几十毫瓦的连续功率输出。,39,3.分布反馈式半导体激光器(DFB) (1)特点易于获得单模、单频输出，容易与光缆、光纤调制器耦合。 (2)结构特点在激活区GaAs内制成周期性波纹结构。分布反馈式半导体激光器的光振荡就是由这种周期性结构(即衍射光栅)提供的光耦合形成的，不再需要谐振腔的端面提供正反馈。如果波纹形光栅的周期为,激活区的折射率为nr,理论分析表明,只有波长满足=2nr(布拉格条件m=1时)关系的光,才能在激活区内稳定振荡。,
