异质结理论与半导体激光器的发展现状与趋势

摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展,首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程,第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用,最终以半导体激光器为例,展望激光器和异质结技术发展方向。

关键词：异质结，激光器

Abstract: The paper is a review of technique and recent progress about heterojunction and LD. Above all the history of development progress of heterojunction were introduced .Secondly it’s about the development and application of LD. Finally take LD for example, prospected the development direction of heterojunction and LD.

Key words:heterojunction, laser

引言

半导体的核心是pn结,pn结是在一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的,也称为“同质结”。如果结两边是用不同的材料制成,就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。

第一章异质结的发展历程

pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。然而，随着无线移动通信、GPS、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。

但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代,随着液相外延(LPE),汽相外延(VPE) ,金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现,使异质结的生长日趋完善，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维)的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。

目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光LED、制备异质结发光二极管③制备异质结激光器④制备太阳能电池⑤超晶格和多量子阱器件[3]。尤其是量子阱超晶格器件由于它优异的性能成为了目前半导体器件的研究热点。

量子阱超晶格中存在的二维电子气具有许多重要的性质。首先电子在二维电子气中有很高的迁移率，可以制作性能优良的超高频、超高速场效应晶体管——HEMT（又称为MODFET）。

此外，二维电子气即使在极低温度下都不会复合消失。因为提供这些二维电子气的电离杂质中心都是处在异质结的另一侧的，这就是说，在空间上自由电子与电离杂质中心是分离开来的，所以，当温度降低时，这些电子也无法回到杂质中心上去，从而在极低温度下它们也不会消失，能够正常工作。这就为低温电子学的研究与发展提供了器件基础。

二维电子气还具有许多奇特的性质。例如，在低温下利用MOSFET来测量沟道中二维电子气的Hall效应时，发现器件的霍尔电导是一系列量子化的数值（称为整数量子霍尔效应）。又如，在更低温度下利用HEMT来测量异质结沟道中二维电子气的霍尔效应时，发现霍尔电导是一系列更为特殊的量子化数值（称为分数量子霍尔效应）。这些量子效应都是二维电子气在低温下所呈现出来的一些奇特的性质[5]。

超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功, 彻底改变了光电器件的设计思想,。半导体器件的设计与制造从过去的“杂质工程”发展到“能带工程”, 出现了以“光电特性可剪裁”的新时期, 进入了以量子效应和低维结构为标志的新时代。目前主要应用在带隙工程，激光器，红外探测器，光学双稳态器件，高速场效应器件等方面[6]。

下面看一下异质结激光器的应用与发展。

第二章半导体激光器的发展与应用

2.1半导体激光器的发展历程

第一个阶段是随着半导体物理的发展，1962年以美国的三个研究小组几乎同时宣布观察到同质结GaAs的pn结中的受激辐射现象，这标志着半导体激光器的诞生，半导体激光器时代从此开始。同年美国研制成功GaAs同质结半导体激光器为开端，即同质结构注入型激光器。这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级)，阈值电流密度需达到105A／cm2，因此只能在液氮温度(77K)下和脉冲状态下工作，这也是同质结半导体激光器的致命缺点。因此这只是半导体激光器的雏形，但其对以后半导体激光器在结构设计、性能检测及激光输出特性等方面上的发展指明了方向[7]。

半导体激光器发展的第二阶段是单异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如GaAs , AlGaAs所组成,最先出现的是单异质结构激光器。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。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GaAs—AlGaAs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(10～15)×103A／cm2，比GaAs同质结激光器的阈值电流密度(10～100)×103A／cm2低[11]。