双异质结

最早的 条形激 光器是 采取电 极条形 或质子 轰击条 形。
增 益 波 导
注：在侧向的光学限制为所谓“增益波导”。实质上，它只是限制电流流经的通道，这种限制不可避免地 存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。增益波导对光场的侧向渗透实际上没有限制作用，其 所谓光波导作用只是相对于损耗而出现光的净增益区域。
定义：
选用晶格常数非常一致的两种半导体材料，如砷化镓(GaAs) 与砷化镓铝 (GaAlAs)，以外延法在 n-GaAs单晶衬底上依次生 长N—GaAlAs(空穴阻挡层)、p-GaAs(激活层)、P-GaAlAs(电 子阻挡层 ) 和 p+ — GaAs( 接触层 ) 等单晶薄层。在激活区 p — GaAs 两侧的两种半导体材料的交接层之间形成两个异质势垒， 这种势垒结构称为双异质结。激光管芯由双异质结半导体构 成的激光器。
DHL工作原理：
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正 向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入 有源层。 P 层带隙宽，导带的能态比有 源层高，对注入电子形成了势垒，注入 到有源层的电子不可能扩散到P层.同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到 N 层。这样，注入到有源层的电子和空穴 被限制在厚 0.1 ~ 0.3 µm的有源层内形成 粒子数反转分布，这时只要很小的外加 电流，就可以使电子和空穴浓度增大而 提高增益。 如果有源区厚度 d 比载流子扩散长度小 得多，则载流子就均匀地将有源区填满。 对于这种激光器，复合几乎是均匀地发 生在有源区内的。另外，由于有源区两 侧都是宽带材料，有效折射率发生阶跃， 使光子被限制在有源区中，光场的分布 也是对称的。
(c)在条形有源区 上方通过腐蚀出一 个脊,在其两边的 光反射进有源层而 形成波导,脊周围 的绝缘层有助于使 电流限制在从脊到 有源层的电流通道 内。
主要特性参数
速率方程分析
速率方程
速率方程的稳态解：
速率方程的稳态解表示光子密度和载流子密度注入电流 的变化在多纵模的情况下。还可以给出纵模分布随注入 电流的变化、因此，速率方程的稳态解是半导体激光器 的稳态特性的基础。
隐埋新月型(BC)条形激光器
（a）低折射率包层填 平其有沟道的高折射 率衬底，有源层生长 在低折射率包层上， 由电流通道所限制的 有源区两侧，其有效 折射率低于有源区而 产生侧向光波导效应。 这种结构有好的侧模 稳定性和连续工作的 单纵模工作。
(b) 激光器类似于 CSP 结 构,在N型衬底上生长P型 电流阻挡层后刻蚀V形槽 进入衬底 . 有源层在沟表 面生长而在有源层内形 成一个新型的条形 . 这种 结构同样对有源层内的 光有波导限制作用 . 同时 有源区两侧 'NPNP' 结构 , 能使注入电流限制在有 源区内 , 可用这种结构获 得低阈值和高输出功率. (d) 通过腐蚀并行的两个 沟道而在它们之间形成有 源条 , 再通过材料生长在 有源条两侧形成异质结 . 这种结构的优点是量子效 率高 ( 微分量子效率高达 50 ％ -60 ％ ), 由于在隐埋 区有反向偏置的 PN 结而 减少了漏泄电流 , 使激光 器有好的温度稳定性，工 作温度可达130℃。
20世纪70年代后期
量子阱结构或者应变量子阱结构
实现原子层厚度的可控生长可以在双 异质结中把有源增益区势阱生长得薄 至相当于电子的自由程（小于10nm)
MBE
Molecular Beam Epitaxy
MOCVD
Metal-organic Chemical Vapor DePosition
分子束外延
光增益空间烧孔
右图画出具有侧向载流子限制时J、S和N的侧向分布。
右图画出具有没有侧向载流子限制 时J、S和N的侧向分布。
附注:特性参数
AlGaAs/GaAs
阈值电流、mA
发射波长/µm //发散角/（°） ┴发散角/（°） 输出功率/mW t调制频率/GHz 特征温度/K 推算寿命/h 在 GaAs / GaAlAsDH 激 光 器 中 ， GaAs 的 禁 带 宽 度 对 应 的 激 光 波 长 约 为 0 . 89 µm 。 InP/InGaAsPDH 激光器的激光波长覆盖 0.92~1.65µm 。由于光纤的最低损耗位于 1.3~1.6µm,所以InP/InGaAsPDH激光器对于长距离的光纤通信系统有着重要的应用， 而GaAs/GaAlAsDH激光器则常用于短距离的光纤通信系统中。
把电流注入限定在宽度 很窄的条状区域内，同 时把光波也限制在横方 向上传播，就能够除去 这个缺点。最简单的方 法是采用只在条形区域 上电极与晶体进行电接 触的结构，只在宽几微 米的区域注入电流。
在DHL中，为了 降低工作电流，减小 温升，以利于在室温 下连续运转，其异质 结(作用区)通常做成 条形结构。由于双异 质结阈值低，同时又 采用了条形结构，器 件温升很低，在一定 条件下可实现室温连 续工作。
双异质结构激光器
Double Heterostructure Lasers
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主要内容
1
2 3
双异质结构激光器的基础知识
双异质结构激光器的分类 双异质结构激光器的特性、参数
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双异质结构激光器的发展
历史追溯：
1962年 R.N.霍耳等对GaAs二极管在 77K下加脉冲电流, 观察到受激光
发射。此后,人们致力于研究室温下连续激射的激光器。1967年研制成 功单异质结激光器, 1970年制出双异质结激光器。1970年秋，美国贝尔 实验室利用双异质结有效地限制载流子和光子，显著地降低了激光器的 阈值电流密度再加上条形器件，实现了GaAlAs/GaAs激射波长为0.89µm 的半导体激光器在室温下能连续工作。 从采用同质结、单异质结到DH结构, 激光器在室温下的脉冲阈电流密 度由几十万安／厘米逐步下降到几千安／厘米。
InGaAsP/InP
复合腔波导互补激光器
把在一个谐振腔内既有折射导引区段（起着稳定侧向模式克服 光功率曲线扭曲作用），又有增益导引区段（起着调节折射率 导引机制的强弱，增加基模输出功率范围作用）的波导特性互 相补充的一类激光器，统称复合腔波导互补激光器。
eg:分段压缩平面复合腔lasers.(SCP structure lasers) 压缩双异质结构（CDH）和氧化物条形（OS）结构结合而成。 波长0.85µm左右的SCP激光器 1.伏安特性：正向导通电压为1.1~1.3V，反向击穿电压为6~15V，最高可达 20V 2.阈值特性：在室温（25~27℃）直流阈值为30~80mA，典型值为40~50mA. 3.进场光强和远场光强：
沟道衬底平面(CSP)条形激光器
脊形波 导 (RW) 条形激 光器
依照在横向利用有源层 与两边限制层折射率之 差所形成的强的光波导 效应，在侧向也设计了 类似的折射率波导。折 射率波导激光器充分体 现了条形结构的优越性， 已成为半导体激光器的 基本结构形式。
双沟平 面隐埋 异质结 条形激 光器 (DC-PBH)
金属有机化合物化学气相淀积
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1980年11月由中科院技术科学部对激光器进行科技成果鉴定,器件性能 为:激射波长:8200-8800nm,半宽小于15A.阈值电流:50-150mA,输出功 率2-30mW，好的可达70mW.室温下连续工作的寿命实测超过18000h。在 50℃,70℃及80~C对激光器进行升温加速老化,结果表明:室温下平均寿 命可达80000h。还研究了激光器与光纤的耦合技术,耦合效率可达70— 90％.
DHL分类：
双异质结构激光器分为两类：一 是宽面激光器，其有源区宽度就 是芯片宽度，W=100~200µm; 二是条形激光器，其有源区宽度 比芯片宽度小得多，W<光器是 在结晶面全面地注入电流，被称 为宽面激光器(broad area laser)。 优点：制作容易，能够得到高输 出 缺点：在有源层内，在垂直 于光波往复传播的横方向上产生 同样的激射是非常困难的。另外， 因为是以很多的纵模进行激射， 所以无论是在空间上还是在时间 上光输出都有相干性低的缺点。