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1、半导体激光器材料的研究进展,主讲人：刘晓凯 刘磊 资料收集与整理：潘春仁 易亮 PPT整理：刘晓凯,半导体激光器材料的研究进展,一、半导体激光器的发展历史 二、半导体激光器的工作原理 三、半导体激光器的制作工艺 四、半导体激光器的应用现状 五、半导体激光器材料的发展前景,一、半导体激光器的发展历史,激光是20 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。 1916 年爱因斯坦发现了激光的原理，1960 年激光被首次制造。半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD),是20世纪60年代
2、发展起来的一种激光器。 常用的半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)，硫化镉(CdS)等。激励方式主要有电注入式，光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结，双异质结，量子阱(单，多量子阱)等多种形式。,一、半导体激光器的发展历史,早在上个世纪 50 年代，随着半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，人们便设想发明半导体激光器。60 年代初，这方面的理论研究纷纷展开。 1961 年，前苏联科学院院士，莫斯科列别捷夫物理所的尼古拉巴索夫（N. G Basov）提出受激辐射能够在半导体内产生的理论。,一、半导体激
3、光器的发展历史,1962 年 7 月，美国麻省理工学院林肯实验室的学者奎斯特（Quist）和克耶斯（Keyes）在固体器件研究国际会议上，报告了砷化镓材料的光发射现象。 同年 9 月，霍尔（Hall）是通用电气研究实验室的工程师，他采用扩散技术制备了 GaAs 的 P-N 结，获得了低温脉冲工作的GaAs 同质结构激光器。同质结激光器具有厚度为微米量级的有源层，需要足够的电子和空穴注入来实现粒子数的反转，因此阈值电流密度高达 105-106A/cm2；而且这种激光器温度效应明显，注入载流子的复合效率低，不能够在室温下连续工作。,一、半导体激光器的发展历史,1963 年，异质结的概念由前苏联科学
4、院的阿尔费洛夫（Alferov）和美国的克罗默（Kroemer）提出。 1968 年到 1970 年期间，美国贝尔实验室的潘尼希（Panish）等研制出 AlGaAs/GaAs 单异质结激光器，阈值电流密度为 8.6103A/cm2，实现了室温下的脉冲工作，这标志着半导体激光器进入了异质结注入型激光器（SHLD）的发展阶段。,一、半导体激光器的发展历史,1970 年，双异质结构半导体激光器(DH-LD)由前苏联科学院约飞（loffe）物理研究所的阿尔费洛夫(Alferov)等人研究成功。室温下的阈值电流密度比单异质结激光器的降低了一个数量级，电光转换效率也得到了大幅度的提高。与此同时，超晶格中
5、的量子效应由美国 IBM 公司的江琦（L.Esaki）和朱兆祥（R.Tsu）首先提出，并且制备出了具有超晶格结构的 GaAs 半导体材料。,一、半导体激光器的发展历史,1975年，范德齐尔（J.P.Vanderziel）等人首先采用 MBE (分子束外延）方法制备了 AlGaAs/GaAs 材料的量子阱激光器从此半导体激光器进入了第三个发展阶段。 1977 年，杜普伊斯（Dupuis）等人研制出了阈值电流密度为 3kA/cm2的量子阱激光器。 1979 年，14 个量子阱的 AlGaAs 激光器由曾焕添（Won T. Tsang）用 MBE 生长得到，在室温下工作时其阈值电流密度为 2kA/c
6、m2。随后，曾焕添在对单量子阱激光器进行优化设计的基础上，提出了光电分别限制的梯度折射率波导（GRIN-SCH）结构，制备出的激光器阈值电流密度仅为 60A/cm2，内量子效率高达 95%。,一、半导体激光器的发展历史,在20世纪80年代后期，人们又提出了应变量子阱激光器的结构，其阀值电流密度可降至约65A/cm2。 1994年，贝尔实验室报道了只有电子参加的基于子带跃迁和共振隧道机理上的量子级联激光器，突破了二极管激光器材料体系对发射波长的限制，将发射波长推至4um-17um中远红外波段。AlGalnP体系为可见波段红光波段。 1996年日本成功地研制出GaN基半导体量子阱激光器，将半导体激
7、光器的发光波段推向了紫外至蓝紫波段。,一、半导体激光器的发展历史,这些成果证明了量子阱激光器的特性远远优于双异质结激光器，奠定了量子阱激光器在半导体激光器领域的主导地位，同时推动了整个光电子产业的迅猛发展。 随着能带工程理论的运用，晶体外延材料生长工艺以及半导体制作工艺的不断发展和成熟，以及应用领域的不断拓宽，新材料、新波段和新结构的半导体激光器不断涌现，如应变量子阱激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器、外腔激光器、量子阱级联激光器、量子点激光器、微腔激光器、光子晶体激光器、宽带隙 GaN 基半导体激光器等。,一、半导体激光器的发展历史,纵观半导体激光器近五十年的发展历史，结构从同质结发
8、展到量子阱，波长从 GaAs 基的红光发射到 GaN 基的蓝紫光发射已几乎涵盖全波段，连续输出功率可达上万瓦，寿命可长达上百万小时。新世纪以来，半导体激光器应用上的需求对其各方面性能提出了更高的标准，如何实现半导体激光器的大功率、高亮度和高可靠性已成为进一步发展LD技术产业和拓宽市场应用面临的三个关键问题。 如今半导体激光器已经广泛应用于我们的生活、工业甚至国防，例如激光打标、激光手术刀、激光武器等。利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应，这样激光还可以用于核反应的控制。已经成为当今光电子科学的核心技术，受到了世界各国的高度重视。,半导体激光器材料的研究进展,一、半导体激光器的发展历史 二、半导
9、体激光器的工作原理 三、半导体激光器的制作工艺 四、半导体激光器的应用现状 五、半导体激光器材料的发展前景,二、半导体激光器的工作原理,1、半导体的能带结构和电子状态 2、非本征半导体材料p-n结 3、半导体激光器的结构组成 4、激光产生原理,1、半导体的能带结构和电子状态,（1）能带概念,量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带。 由于N值通常很大(如:1023 /cm-3左右)分裂出的能级十分密集，形成一个能量上准连续的能带，称为允许能带，简称允带。而由原子不同能级分裂成的允许能带之间则是禁戒能带，简称
10、禁带。,1、半导体的能带结构和电子状态,1满带（排满电子的允带） 2价带（价电子能级分离后形成的能带，能带中一部分能级排满电子） 3. 导带 （允带有部分能级被电子填充） 4空带（完全未排电子的允带） 空带也是导带 5禁带（不能排电子）,1、半导体的能带结构和电子状态,能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV,能带的特点： 1. 越是外层电子，能带越宽，E越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，E越大。 3. 两个能带有可能重叠。,1、半导体的能带结构和电子状态,固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。 电子的填充原则： 服从泡利不相容原理
11、 服从能量最小原理 （2）半导体中的电子状态,用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定鄂方程实现的。然而，由于固体中所含原子数量极大，对每个电子求解薛定鄂方程是根本不可能，只能采取某种近似的方法:,1、半导体的能带结构和电子状态,其相应的能量本征值为,k为波数,me 为电子质量 V-所有其他电子对某一电子的相互作用视为叠加在原子实周期势场上的等效平均场,并用V(r)表示, 势场的周期为晶格常数a 则动能为,1、半导体的能带结构和电子状态,在k足够小的范围内,可将Ek 展开为Maclaurin(麦克劳林)级数,且只保留前两项,得到,其中,meff 称为电子的有效质量,与me 不同
12、,meff 既可以取正值,也可以取负值。 在k=0附近,E(k)仍按抛物线规律随k变化,抛物线的开口方向由meff 的符号决定。 当 eff时，开口向上，相应的能带称为导带 当 eff时，开口向下，相应的能带称为价带,1、半导体的能带结构和电子状态,导带底和价带顶对应着相同k值，即k=0点，导带底和价带顶的能量间距称为禁带宽度禁带宽度用Eg表示。 导带和价带的极值位于k空间同一点(但一般不要求是k=0点)的半导体称为直接禁带半导体 另有一类在电子学中非常重要的半导体材料,如Si和Ge等,导带底和价带顶不在k空间同一点,称为间接禁带半导体,2、非本征半导体材料p-n结,本征半导体：杂质、缺陷极少
13、的纯净、完整的半导体。其中自由电子和空穴都很少。常用的是非本征半导体又叫掺杂半导体。,P型半导体：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn） N型半导体：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）,2、非本征半导体材料p-n结,2、非本征半导体材料p-n结,2、非本征半导体材料p-n结,掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流子。 P型半导体掺杂三价元素（杂质），载流子主要是空穴，而杂质称为受主 N型半导体掺杂五价元素（杂质），载流子主要是电子，而杂质称为施主 p型半导体材料和n型半导体材料接触时形成p-n结。,2、非本征半导体材料p-n结,2
14、、非本征半导体材料p-n结,3、半导体激光器的结构组成,半导体激光器是指以注入电流做为激励源，由半导体材料和光学谐振腔构成的激光自激励振荡器。,3、半导体激光器的结构组成,（1）电流：电流作为激励源，注入电流的大小决定半导体激光器的输出功率。 （2）半导体材料：具有晶体结构的P型半导体N型半导体结合在一起形成PN结，在输入电流的激励下，实现粒子数反转分布，当受激辐射大于受激吸收时，就产生光的放大作用。半导体材料的种类决定输出激光的波长，如AlGaINP/GaAs输出激光波长为610nm690nm，AlGaAs/GaAs输出激光波长为780nm800nm，InGaAs/GaAs输出激光波长为80
15、0nm1100nm等。,3、半导体激光器的结构组成,（3）光学谐振腔：受激辐射光在光学谐振腔中来回反射，不断反馈振荡，当达到一定强度后，就输出激光。光学谐振腔和半导体材料的结构决定半导体激光器的性能和寿命。,4、激光产生原理,半导体激光器的工作原理简单概述是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用 。 粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。 电子与空穴复合
16、，即电子由导带进入价带，多出的能量以光子的形式释放出来。,4、激光产生原理,普朗克定律：基态到激发态的跃迁吸收一个光子，激发态到基态的跃迁发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。 激光发射跃迁过程：吸收激发、自发辐射和受激辐射。 吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2； 自发发射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发发射一个光子（位相随机）。 受激发射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激发射一个光子（位相和频率相同）。,4、激光产生原理,4、激光产生原理,半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： （1）形成分布反转：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质
