2015第10课 第七章 半导体异质结激光器(2)

q (VD Va ) Ec

/ 2 ( Ev E )1 dE 1exp[( Fv E ) / kT ]
(7.28)
p 7.11014 cm3
这些空穴可以漏进N型无源区。
7.5.3 异质结的光限制作用
θc = arc sin(n1/n2) θc = arc sin(n3/n2) 有：n2>n1; n2>n3 光波导---又称光子限定
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
7.5.2 载流子限制
对于同质结：
* 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。
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
TE TM
增益谱公式中 MT
2
uV e p uC
2
2
V
F
*
h
Fe d 3 r
uV e p uC
偏振选择性之来源-导带至不同子帶间 跃迁速率不平衡。
量子阱激光器基本特征(7)声子协助受激发射
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。
Have different refractive index nGaAlAs < nGaAs
•r21=B21f2(1-f1)p(E21)
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。
7.7.1量子阱激光器结构
Single quantum well
MQW or superlattice
Finite potential wells
7.7.2 量子阱的发射波长调节作用
1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-E1v>Eg，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；
（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 0.2m ，为了获得很大的 值，光场就必须以基模（ m=0）的方式工作。


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2 d 2
d
2 Ey ( x, y, z )dx
E ( x, y, z )dx
2 y
（7.29）
对于对称波导来说，上式可 简化为：


d 2 0
d
2
0
2 Ey ( x, y, z )dx
2 2 Ey ( x, y, z )dx d E y ( x, y, z )dx 2
h E1c E1v Eg
7.7.3 量子阱增益频谱的特点
gmax=ag(N-Nth) (7.38)
微分增益
要降低阈值电流J th ,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.
ns (n2 n1 ) 1 2 R { } 2m ns (n2 n1 ) 1
2m
• 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。
7.6 增益和电流的关系，量子效率和增益因子
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： i为内量子效率。
Comparison of the downward scattering of electrons,(in energy increments LO of in a quantum-well heterostructure and in a bulk semiconductor. Carriers injected in a bulk sample (parabolic density of states) at higher energy scatter downward in energy to a lesser density of states, which becomes constraining. Within each subband of a quasi two-dimensional structure, however, the step-like density of states is constant and downward electron scattering is not constrained, making possible phononassisted recombination (e.g., 1-LO) and laser operation
（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i<1。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。
外量子效率
它度量激光器真正向体外辐射的效率：
out
单位时间内向体外辐射 的光子数 单位时间内有源区中注 入的电子 空穴对数
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
基本特征(2)低阈值
阱宽
腔长根据阱宽的优化
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。
J=Jnomd/i （7.31）
gmax ( J nom J 0 )m (7.32)
1 1 J th [i ln ] 2 L R1R2 1 (7.33)
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：
单位时间内发出的光子 数 i 单位时间内有源区内注 入的电子 空穴对数
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nAlGaAs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。
E , E
对电子的限制
电子分布
c ( E Ec ) f c
1 c ( E Ec ) ( 2 )(
2
(7.22)
3/ 2 1/ 2
2 mn h
2

) ( E Ec )
fc
n nL
1 {exp[( E Fc ) / kT ] 1}
( 2 2
1 1 2
提高外量子效率的途径
1.
2.
3.
4. 5.
提高内量子效率； 尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外的吸 收损耗； 增大限制因子； 减少端面的反射率； 减小腔长。
7.7 量子阱激光器
Conduction band quantum well AlG aAs AlG aAs
GaA s
Valence band quantum well
n( x) 3.590 0.710x 0.091x2
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 n1<n2，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：
A quantum well laser is an improved LED. Electrons and holes are kept together inside the semiconductor at the center, which has a smaller gap. That makes it easier for electrons to find holes. It also creates quantized energy levels with a highly-concentrated density of states.
对空穴的限制
P型有源层内空穴的势垒为
（VD Va ) Ev
#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。
p 2 2 ( h 2 )
1 2 mp 3/ 2
1 异质结对电子和空穴的限制
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。 Ec 0.85 Eg 势垒： c v Ev 0.15 Eg GaAlAs/GaAs 异质结： pP同型异质结势垒高度有Ec 决定。
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?
目录
• • • • • • • • 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
n ( 2 2 )(
1

2 mn 2

h
)
3/ 2
Ec

( E Ec )1/ 2 dE exp[( E Fc ) / kT ]1
（7.27)
n 1.6 1014 cm3
nL=3.4x1015cm-3. nx=1.5x1012cm-3.
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。
2
2 mn 3/ 2

h2
)

0 0
( E Ec )1/ 2 dE 1 exp[( E Fc ) / kT ]
（7.23) (7.24)
(
L 2 mn 3/ 2

h
2
)

[ E ' ( Ec E )]1/ 2 dE ' 1 exp[( E ' Fc ) / kT ]
L E Eg Eg
out ( Pout h ) ( I e)
h Eg eVa
out Pout ( IVa )
（7.35）
微分量子效率
D
( P out pth )/ h ( I I th )/ q
(7.36)
(7.37)
For ηi = 100%, L = 300 μm, R1 = R2 = 32%, and αi = 20cm−1, we have ηd = 66%.
nx
( 2 2
1
x 2 mn 3/ 2

h2
)

0
[ E ' ( Ec E )]1/ 2 dE ' 1 exp[( E ' Fc ) / kT ]
(7.25)
x E Eg Eg
n( E ) n nL nx

n n nL nx
(7.26)
Ec 0.318eV