双异质结
西北工业大学_光纤通信作业答案
答案第一章：光纤通信1、什么是光纤通信？光纤通信及系统的组成光纤通信使用光导纤维作为传输光波信号的通信方式。
光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
2、什么事光通信光通信就是以光波为载波的通信。
3、光纤通信的优点？①传输频带宽，通信容量大。
②传输衰减小，传输距离长。
③抗电磁干扰，传输质量好。
④体积小、重量轻、便于施工。
⑤原材料丰富，节约有色金属，有利于环保4、光纤通信的工作波长？光源：近红外区波长：0.8—1.8μm频率：167—375THz5、WDM是指什么？DWDM指什么？WDM：波分复用DWDM：密集波分复用6、光纤从材料上可以分为哪几种？从材料上分为石英光纤、多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤等7、光纤活动连接器从连接方式来看分为哪几种？常见的插针端面有哪几种？PC、APC、SPC（球面、斜面、超级抛光端面呈球面的物理接触）8、按缆芯结构分，光缆分为哪几种？层绞式、单位式、骨架式、带状式9、光线的制造分哪几个步骤？I 材料准备与提纯II 制棒III 拉丝、涂覆IV 塑套其中制棒分为：（1）MCVD改进的化学气相沉淀法（2）PCVD等离子化学气相沉淀法10、按材料光纤分几种？同611、无源器件的种类连接器、分路器与耦合器、衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等第二章：光纤通信的物理学基础1、通过哪些现象可以证明光具有波动性？光的波动性可以从光的干涉、光的衍射和光的偏振等现象证明2、什么叫光电效应？光电效应具有哪些试验规律？由于光的照射使电子从金属中溢出的现象称为光电效应⑴ 每种金属都有一个确定的截止频率γ0，当入射光的频率低于γ0 时，不论入射光多强，照射时间多长，都不能从金属中释放出电子。
⑵ 对于频率高于γ0的入射光，从金属中释放出的电子的最大动能与入射光的强度无关，只与光的频率有关。
频率越高释放出的电子的动能就越大。
⑶ 对于频率高于γ0的入射光，即使入射光非常微弱，照射后也能立即释放出电子。
双异质结 异质结 同质结
双异质结异质结同质结
双异质结
双异质结是由两种不同材料组成的半导体器件，其中一种材料的能隙比另一种材料的能隙大。
这种器件具有许多独特的电学和光学性质，因此在半导体器件中得到广泛应用。
异质结
异质结是指由两种或更多不同半导体材料组成的界面。
这些材料通常具有不同的能带结构和晶格常数。
当两个不同半导体材料相接触时，它们之间会形成一个电势垒，这个电势垒可以用于制造各种半导体器件。
同质结
同质结是指由相同的半导体材料组成的界面。
在这种情况下，晶格常数和能带结构都是相同的。
同质结通常用于制造二极管、太阳能电池等器件。
双异质结与异质结比较
双异质结与普通异质结最大的区别在于前者有两个界面而后者只有一个界面。
这使得双异质结具有更多独特的性能，例如更高的载流子注入效率和更低的暗电流密度。
双异质结的应用
双异质结具有多种应用，例如制造激光器、太阳能电池和传感器等。
其中最常见的应用是制造激光器。
在激光器中，双异质结被用作光泵浦区，这个区域可以提供高效的载流子注入和较低的损耗。
总结
双异质结是由两种不同材料组成的半导体器件，其中一种材料的能隙比另一种材料的能隙大。
这种器件具有许多独特的电学和光学性质，因此在半导体器件中得到广泛应用。
与普通异质结相比，双异质结具有更多独特的性能，并且在制造激光器、太阳能电池和传感器等方面得到广泛应用。
异质结双面率
异质结双面率
异质结双面率指的是"异质结双面栅"（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）的特征参数之一，即双面率（Double Heterojunction Ratio）。
双面率是描述HBT器件中两侧异质结（通常是基区/发射区和基区/集电区之间的异质结）所占的比例。
在HBT中，异质结的存在可以提供更好的电子和空穴注入效率，从而提高了器件的性能。
双面率是指异质结的面积在总结区面积中所占的比例。
双面率越高，意味着异质结的面积相对较大，提供更多的注入区域，从而有助于提高HBT的性能。
双面率的具体数值通常由器件的设计和制造参数决定，并且可以根据特定的应用需求进行优化。
较高的双面率可能会带来更高的注入效率和更好的性能，但也可能增加器件的复杂性和制造成本。
因此，在实际应用中，双面率的选择需要综合考虑器件性能、成本和制造可行性等因素。
双面率仅是HBT器件中的一个参数，而HBT的性能还受到其他因素的影响，如材料选择、结构设计和工艺优化等。
AlGaN／InGaN／GaN双异质结构中2DEG的数值模拟
其 中 口为 ＩＧ Ｎ或 ＡＧ Ｎ层 的 晶格 常数 ， ｎａ １ａ
离 子注入 的形 式 代 入 一 维 泊 松 方 程 和 薛 定 谔 方 程 中 自洽 求 解 ， 文 采 用 的 是 Ｇｅ ｎｄｒ的 １ 本 ｒｇＳｉｅ Ｄ Ｐ ｉｏ／ ｃｒｄｎｅ 软件 求解 。 ｏ ｓｎ Ｓｈｆｉｇｒ ｓ
件下 ， ＡＧ Ｎ Ｇ Ｎ界 面处 嵌入 了 ＩＧ Ｎ，Ｄ Ｇ的 在 １ａ ／ ａ ｎａ ２Ｅ
图 １ 嵌人 ＩＧ Ｎ层后的 Ｄ 双层异质结构 ） ｎａ Ｈ（
２ 计算过程
设 ＩＧ Ｎ层 和 ＡＧ Ｎ层 都 为应变 层 ，由计 算压 ｎａ １ａ 电极化 公式
密度 比传统 的 ＡＧ Ｎ Ｇ Ｎ提高 了 ５ ％。比如 ， Ｉａ ／ ａ ０ 在
其中 自发极化和所要用到的常数值如表 １。
表 １ 压 电极化 和 自发极化用的常数
３ 理论 计算结果
仍 然采 用 自洽求 解 一 维 泊 松 方 程 和 薛 定 谔 方 程来求 解 Ｇ Ｎ ＩＧ Ｎ Ｇ Ｎ 中 ２ Ｅ 的输运性 质 。 ａ ／ｎ ａ ／ ａ ＤＧ 结果 双 层 异 质 结 构 中 ２ Ｅ 的 密 度 为 １５ ＤＧ ．４×１ｎ ０
ｃｍ ～
，
密度和迁 移率。在传统 ＡＧ Ｎ Ｇ Ｎ异质结 中， １ １ａ ／ ａ Ａ．
Ｇ Ｎ层 的厚 度 越 薄 ， 能 压 制 短 沟 道 效 果 的 发 生 ； ａ 越
几乎 为原 结 构 的两 倍 。通 过 介绍 ２ Ｅ Ｄ Ｇ密 度
但是 ＡＧ Ｎ层越薄 ， １ａ 也会导致很多问题 ， Ｄ Ｇ密 如２ Ｅ 度的减小 、 电流的崩塌等等。为 了在两者之 间达到 平衡 ， 人们在单异质结 中嵌 入 了 Ｉ ａ ｎ Ｎ层 ， Ｇ 而且达 到了很好的效果 。以前 的文章 中都是先实验 ， 再分
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 （1）导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 （p）Ge-（n）GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 （n）Ge-（n）GaAs ③双异质结
（n）Ga1-xAlxAs-（p）GaAs -(n） Ga1-xAlxAs （2）过渡区 ①突变结：过渡区小于1μm
分类： （1）成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 （2）掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。（NIPI晶体）
b
b
c
c
z
子能带
l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 （1）提高少子的注射效率 npn晶体管
电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结：过渡区大于1μm
（3）能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型
2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
（2）调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
第3章 异质结构
1
突变结：在异质结界面附近，两种材料的组
分、掺杂浓度发生突变，有明显的空间电荷 区边界，其厚度仅为若干原子间距。
缓变结：在异质结界面附近，组分和掺杂浓
度逐渐变化，存在有一过渡层，其空间电荷 浓度也逐渐向体内变化，厚度可达几个电子 或空穴的扩散长度。
同型异质结：导电类型相同的异质结
如：N‐AlxGa1‐xAs/n‐GaAs, p‐GexSi1‐x/p‐Si
EC1
EC2 EC2
VDN EV 2 EV2
VDp Eg2
EDp Eg Eg2
EC
2
eND 2 2
eNA ( 21 xN 2
xp x)2 (xN x)2
x xp xp ≤x 0
0 x ≤xN xN x
x xp xp ≤x 0 0 x ≤xN
eV D F1 F2 F
依据这一分析，很容易发现异质结界面无论是导带还是价 带都会出现不连续性。导带底和价带顶的这种不连续性 分别为EC和EV：
Eg Ec Ev (Eg 2 Eg1)
Ec 1 2 Ev Eg Ec Eg
1. 异质结的带隙差等于导带差同价带差之和。 2. 导带差是两种材料的电子亲和势之差。 3. 而价带差等于带隙差减去导带差。
16
8
17
自建电场E的作用下，电子和空穴的飘移电流分别为：
ins n E ne n E
ips p E pe p E
从泊松（Poisoon）方程出发,利用D =(E)=式，推导出 电子和空穴的扩散电流分别为：
i nd
eDn
dn dx
i pd
eD p
dp dx
流经异质i结n 界i面ns 的i空nd 穴 电ne流 n等E于空eD穴n的ddn飘x 移电流:
hbt半导体工艺
hbt半导体工艺
HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）是一种半导体器件，
属于三极管的一种变种。
HBT通过在n型和p型半导体之间
形成异质结（heterojunction）来构造，其中一个异质结是由不
同材料构成的。
HBT的制作工艺主要包括以下步骤：
1. 衬底制备：选择合适的材料作为衬底，常见的有硅和蓝宝石。
衬底表面可以进行平坦化和清洗处理。
2. 流片制备：将衬底切割成小片，通常使用切片机进行切割。
3. 清洗与表面处理：将切割得到的小片进行清洗，去除表面杂质。
接下来，通过氢气退火处理和氧化处理来改变表面化学性质。
4. 基极制备：在衬底上制作n型和p型区域。
可以通过扩散、离子注入、外延生长等方法实现。
5. 双异质结制备：通过化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）等技术，在n型和p型区域之间形成异质结。
6. 电极制备：在器件上定义电极，包括基极、发射极和集电极。
可以使用金属蒸镀、光刻技术等方法进行制备。
7. 终验与封装：对制备好的器件进行电性能测试和可靠性测试。
最后进行封装，以保护器件并方便连接到电路。
以上是HBT半导体工艺的典型步骤，具体工艺流程还会因制作要求和材料差异而有所变化。
aigaas双异质结激光器和高辐射发光管
Aigaas双异质结激光器和高辐射发光管一、简介1. Aigaas双异质结激光器和高辐射发光管是当今光电子领域的重要研究对象之一，它们是半导体激光器和发光管的一种新型材料和结构，具有较高的性能和潜在的应用前景。
2. Aigaas双异质结激光器是由AlGaAs（铝镓砷）材料制成的，在AlGaAs 材料上 Epitaxial grow 一层 GaAs（砷化镓）而得到的一种激光器。
高辐射发光管则是利用 AlGaAs 材料的发光性质进行设计制造的一种光电器件。
3. 本文将对Aigaas双异质结激光器和高辐射发光管的结构、工作原理和应用前景进行详细介绍和分析。
二、Aigaas双异质结激光器1. 结构和材料Aigaas双异质结激光器是一种双异质结激光器，其结构由P型AlGaAs、N型AlGaAs和GaAs构成。
P型AlGaAs和N型AlGaAs 材料的不同掺杂浓度和类型的组合以及不同材料的异质结相互作用，形成了激光器发光所必需的电子空穴寿命差异。
这样的结构使得激光器可以实现高效率的光发射。
2. 工作原理Aigaas双异质结激光器的激发工作原理是通过直接注入载流子，在激发载流子后，它们在激光器的活性层中发生辐射再结合。
当激光器结构和制备工艺为激光起作用提供了适当的条件时，即可获得Aigaas双异质结激光器的饱和放大和增益。
3. 应用前景Aigaas双异质结激光器具有结构简单，结晶质量好、效率高、波长固定等优点，因此在光通信、光存储、光信息处理、医疗器械、生物检测等方面具有潜在的重要应用前景。
三、高辐射发光管1. 结构和材料高辐射发光管是一种以 AlGaAs 为主要材料的发光管，其结构由P型AlGaAs和N型AlGaAs构成。
P型AlGaAs和N型AlGaAs材料的不同掺杂浓度组合形成了高辐射发光管的发光层和电极结构。
2. 工作原理高辐射发光管的工作原理是通过电子和空穴在高辐射发光管的 GaAs 层中复合发射光子，从而产生可见光。
p+-InP／n-InGaAs／n-InP双异质结结构的微波反射光电导衰减法表征及机理分析
２ 实 验
测 量 仪 器 为 Ｓ ＭＩ ＡＢ 公 司 生 产 的 型 号 为 Ｅ Ｌ ｗＴ ２ ０ 一０ ０的 一 Ｃ 寿命 扫描 仪 ， １为 一 Ｃ 测 ＰＤ 图 ＰＤ
量示 意 图 ． 样 品放 在 一 个 封 闭 的腔 体 中， 真空 把 抽 后 ， 液 氮控 制样 品的温 度 ， 且用 电脑 自动 控制 扫 用 并 描面 积 ， 头上 红 外半 导 体 激 光 器 产生 的红 外 光 可 探 以透 过腔 体上边 的透 明玻 璃对 样 品扫描 ． 一 Ｐ ｎ Ｐ Ｉ ／— ｎ
维普资讯
第２ ８卷
第 １ 期 １
半导Leabharlann 体学报 Ｖ Ｏ ． ８ Ｎ Ｏ． １ １２ １ Ｎ ＯＶ．， ００ ２ ７
２０ ０ ７年 １ １月
Ｃ Ｈ Ｉ ＥＳ ＪＯ ＵＲ Ｎ Ａ Ｌ Ｎ Ｅ ＯＦ ＥＭ Ｉ Ｓ Ｃｏ Ｎ Ｄ Ｕ ＣＴＣＩ ＲＳ
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ — １ ７ ２ ０ ） １１ ６ —４ ２ ３４ ７ （ ０ ７ １ － ７ ９ ０
１ 引 言
微 波 发射光 电导衰减 法 （ Ｐ Ｄ） 一Ｃ 能够 实 现对 半 导体 材料 的非接 触 式 表 征 ， 到 材 料 的少 子 寿命 分 得 布 ， 广泛 地 应 用 于 各 种 半 导 体 材 料 ， Ｈｇ Ｔ ， 被 如 Ｃｄ ｅ Ｇｅ Ｇａ ， 杂 Ｓ ／ Ａｓ 掺 ｉ和 离 子 注 入 Ｓ ｉ材 料 的 研 究 中Ｅ ａ． ｌ ］ 在这 些材 料 中 ， － 非平衡 载 流 子 以指数 形式 衰 减 ， 以通 过对 微 波反 射 光 电导 衰 减 曲线 的指 数 拟 所 合可 以测量 少子 寿命 ， 般来 讲 ， 量少 子 寿命 受到 一 测 体 内复合 与表 面复合 的制 约 ． Ｐ 一ｎ ／ —ｎ ＡｓｎＩ Ｐ 双 异 质 结 结 构 材 料 Ｉ Ｐ ｎ Ｉ Ｇａ ／ —ｎ 是一种 重要 的光 电材 料 ， 料 均 匀 性 的表 征 对 其 焦 材 平面器 件 的制备 非 常 重要 ． 其 他 材料 不 同 的是 在 与 这种材 料 中 Ｐ ｎ结 的 内建 电场 分 离 了光 脉 冲产 生 的空穴 电子对 ， 改变 了非 平衡 载流 子 的空 间分 布 ， 使 其复合 过程 与在 体 材 料 中的 复合 有 很 大 的 区别 ． 早 期 的研 究 一 般 用 表 面 复合 或 其 他 边 界 条 件 来 代 替 Ｐ ｎ结 的 电场 效 应 ｌ ］ 所 以忽 略 了 内建 电 场 在 少 ＿ ， ４ 子复合 中的 作 用 ， ｔｇ ｒ等 人 ｌ 用 计 算 机 拟 合 的 Ｍｅｚ ｅ ＿ ６ 方法研 究 了 Ｐ ｎ结 内建 电场 对 少 子 复 合 过 程 的影 响 ， 果表 明在 小 注 入 条 件 下 ， ｎ结 内建 电 场 对 结 Ｐ 少子 寿命有 着决 定性 的影 响 ， 可是 ， 却很 少有 人对 其 物理机 制作 详 细 的 研 究 ． ｎ等 人 ｌ 将 微 波 反 射 光 Ｌ ＿ ７ 电导 衰 减 法 应 用 于 Ｐ ＿ｎ ／ —ｎ Ａｓｎ Ｉ Ｐ双 异 ’ Ｉ Ｐ ｎ Ｉ Ｇａ ／ —ｎ
提高内量子效率IQE
晶格匹配：晶格不匹配增大，晶格位错线
呈现黑色，导致IQE下降。虽然GaAs和InP中 晶格匹配与IQE有很强的关系，但GaN中这 种关系却不明显，这主要是GaN中位错的电 学活性很低，另外，载流子在GaN的扩散长 度很短，如果位错间的平均距离大于扩散
复合的类型
• 辐射型复合，伴随光 的辐射复合，电子与
空穴复合释放的能量 产生光子。
• 非辐射型复合，不伴 随光辐射的复合，电
子与空穴复合释放的 能量转变为热量。
常见的复合方式：
常见的复合方式：
1、电子与空穴的碰撞复 1、伴随多数声子的复合、
合、
2、俄歇复合、
2、通过杂质能级的复合、3、器件表面的复合。
活性层（Active Layer）
• 活性层（Active Layer）厚度也对IQE有很
大影响，不能太厚，也不能太薄，每种材 料有其最佳范围。
• 活性层参杂：活性层绝对不可以重参杂，
要么轻参杂，低过覆层（Cladding Layer ）的参杂浓度，每种材料有其最佳范围，
活性层经常也不参杂。
• 活性层使用p型参杂多过使用n型参杂，p型 参杂可以确保载流子在活性层内的均匀分布 。
• 直接带隙和间接带 隙半导体，选择哪 一类半导体更能提 高内量子效率呢？
• 直接带隙材料的导带 底与价带顶在同一K空 间，电子与空穴可以 有效地再复合，跃迁 复合发光概率大。发 光复合发光概率大对 提高发光效率是必要 的，因此发光二极管 经常用直接跃迁型能 带结构的晶体制作。
图1.直接带隙 图2.间接带隙
LED对外延片的技术要求
禁带宽度适合，LED的波长取决于外延材料的 禁带宽度Eg。
异质结原理及对应的半导体发光机制
异质结原理及对应的半导体发光机制摘要本文以能带理论为基础，从P型半导体和N型半导体开始介绍了同质PN结的形成。
但是同质PN结中电子带间跃迁产生的光子在很大程度上会被导电区再吸收,使光引出效率降低。
于是引入了异质PN结，介绍了单异质PN结和双异质PN结的形成过程及异质PN结的发光机制.关键词能带理论异质结发光机制由于LED光源具有高效节能、环保、长寿以及体积小、发热度低、控制方便等特点，LED照明产业得到了快速的发展.LED发光效率是衡量LED性能的一项重要指标。
LED发光效率=内量子效率芯片的出光效率。
而LED的核心元件PN结决定了LED的内量子效率。
因此研究发展具有高内量子效率的PN结对发展LED 产业具有重要意义。
相比于同质PN结,异质PN结具有更高的内量子效率。
1.同质PN结在一片本征半导体的两侧各掺以施主型（高价）和受主型（低价)杂质，就构成一个P-N结。
这时P型半导体一侧空穴的浓度较大,而N型半导体一侧电子的浓度较大，因此N型中的电子向P型区扩散，P型中的电子向N型区扩散，结果在交界面两侧出现正负电荷的积累,在P型一边是负电，N型一边是正电.这些电荷在交界处形成一电偶层即P-N结，其厚度约为10-7 m。
在P—N结内部形成存在着由N 型指向P型的电场，起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用，最后达到动态平衡。
此时，因P—N结中存在电场，两半导体间存在着一定的电势差U0，电势自N型向P型递减。
由于电势差U0 的存在，在分析半导体的能带结构时，必须把由该电势差引起的附加电子静电势能—e U0 考虑进去。
因为P—N结中，P型一侧积累了较多的负电荷，N型一侧积累了较多的正电荷，所以P型导带中的电子要比N型导带中的电子有较大的能量，这能量的差值为e U0 。
如果原来两半导体的能带如Figure1（a）所示，则在P—N 结处，能带发生弯曲，如Figure1(b）所示。
Figure 1在P—N结处，势能曲线呈弯曲状,构成势垒区，它将阻止N区的电子和P区的空穴进一步向对方扩散，所以P-N结中的势垒区又称为阻挡区。
双异质结双极晶体管
异质结双极型晶体管（Heterojunction bipolar transistor,HBT）是在双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）的基础上，只是把发射区改用宽带隙的半导体材料，即同质的发射结采用了异质结来代替。
由于异质结能带的不连续性（带隙的能量差ΔEg = 价带顶能量突变ΔEv +导带底能量突变ΔEc），对n-p-n BJT，较大的ΔEv对于基区往发射区注入的空穴有阻挡作用，则宽带隙发射区异质结的注射效率接近1（即只有电子从发射区注入到基区），并且注射效率与发射区和基区的掺杂浓度无关。
HBT的最大优点就在于发射结的注射效率(放大系数) 基本上与发射结两边的掺杂浓度无关, 从而可把基区的掺杂浓度做得很高(甚至比发射区的还高), 这就可以在保证放大系数很大的前提下来提高频率, 从而能进入毫米波段。
现在HBT是能够工作在超高频和超高速的一种重要的有源器件。
HBT的最大电流增益可表示为(不考虑基区复合)βmax = IEn / IEp ∝exp[ΔEg / kT] ，则HBT与一般BJT的最大电流增益之比完全由带隙的能量差来决定：βmax (HBT) / βmax (BJT) = exp[ΔEg / kT] 。
通常取ΔEg＞250 meV, 则HBT的增益可比BJT的提高10的4次方倍。
半导体光电子学第2章_异质结
势垒区电场减弱，
破坏了载流子的扩散 运动和漂移运动之间 的平衡，削弱了漂移 运动，使扩散电流大 于漂移电流。
所以在加正向偏 压时，产生了电子从N 区向P区以及空穴从P 区到N区的净扩散电流。
由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它 是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都 施加在pn结上。现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极， n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上， 这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置 电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了 电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷 区宽度变窄，由原来的w0变为w。
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能 级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间 电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯 曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在 交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
不论是n型或p型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带 中。——轻掺杂半导体。 这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子， 但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。 这种材料只能用于发光二极管。 为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半 导体进行重掺杂，使n型的Fermi能级处于导带中，p型的 Fermi能级处于价带中。
异质结发展现状及原理
异质结发展现状及原理pn结是组成集成电路的主要细胞。
50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。
pn结是在一块半导体单晶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(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。
如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。
结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。
掺杂类型不同的称为“异型异质结”。
另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。
1 异质结器件的发展过程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。
1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。
1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。
1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。
由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。
这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。
1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结,比同质结具有更高的注入效率。
1962年,Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明了电流输运过程。
1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。
1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。
As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对．在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。
双异质结激光器的Pspice温度修正模型
础上 ， 找出了原模 型 中被误 当作 常数 ， 实际却受 但
温度 影 响 的 因 子 ， 出 了双 异质 结 激 光 器 的 Ｐｐｃ 给 ｓｉｅ
收稿 日期 ：０ １１ —１ ２ １ —０１
时通常表现为 ： 阈值电流 ， 增大 ； ① ｆ ｈ ②外微分量子
一
７ — ７
效 率 叼 小 。这说 明 ， 减 文献 ［ ］ １ 中的模 型没 有 反 映 出 Ｄ ．Ｄ的温 度 特 性 ， 宽 温 度 环 境 下 进 行 分 析 ＨＬ 在 时 ， 模 型是不适 用 的 ， 该 需要 进行 温度修 正 。
５ ℃后 ， 直流 特性 如 图 １ 示 。 Ｏ 其 所
２ ４
２ 。
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变后 ， 其直流特性却没有丝毫 的改变。因此在宽温
度环 境下 ， 用 Ｄ Ｌ 利 Ｈ—Ｄ的 电路 模 型来分 析激 光 器 的 外 特性 时 ， 上述 电路 模 型 不 能 准确 表达 激 光 器 的 实 际 特性 ， 利 用 上 述 电路 模 型 进 行 发 射 机 模 拟 时 ， 在 特别 是 在宽 温度 环境 下进 行 分 析 时 ， 个 模 型 是 不 这 适用 的。本 文 在 研 究 量 子 阱 激 光 器 温 度 特 性 的基
３ ０
２ 模 型 的修 正
现 在我们 就 从 Ｄ Ｌ Ｈ．Ｄ温 度 特 性 产 生 的 机理 出
发来改 进原 来 的模 型 。 我们 知道 Ｄ —Ｄ是光 振荡 器 ， ＨＬ 只有注 入 电流 大
富
脚
２ ０
１ ０
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第09章_异质结
( x0 x1 ) N D 2 ( x2 x0 ) N A1
突变反型异质结交界面两边的泊松方程:
d 2V1 ( x) qN A1 2 dx 1 d 2V2 ( x) qN D 2 dx 2 2 ( x1 x x0 ) ( x0 x x2 )
No.27
三、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 以突变p-n异质结为例，求接触电势差及势垒区宽度
假设： 设p型和n型半导体中的杂质都是 均匀分布的，其浓度分别为NA1 和ND2 。 势垒区的正负空间电荷区的宽度 分别为 ( x0 x1 ) d1 , ( x2 x0 ) d 2 取x＝x0为交界面 势垒区中的电荷密度:
qN A1 ( x x1 ) 2 V1 ( x) 2 1 qN D 2 ( x2 x) V2 ( x) VD 2 2
2
No.32
V1 ( x0 ) V2 ( x0 )
qN A1 ( x0 x1 ) 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 VD 2 1 2 2 qN A1 ( x0 x1 ) 2 VD1 2 1 VD 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 2 2
No.20
对（111）晶面，单个原子提供的键数为1
No.21
No.22
（100）晶面面积： a 2
1 面内原子数： 4 1 2 4
单个原子提供的键数：2
4 Ns 2 2 / a 2 a
2
(a a ) N s 4[ 2 2 ] a1 a2
2 2 2 1
No.23
1
2 1 2 N A1VD d 2 ( x2 x0 ) [ ]2 qN D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
半导体激光器中双异质结的作用和优势
半导体激光器中双异质结的作用和优势
作用：
1.载流子限制：双异质结由两种不同带隙的半导体材料层交替堆叠而成。
这种结构使得注入到结区的电子和空穴受到有效的侧向限制，不会轻易扩散出去。
在P-N或N-P-N等结构中，载流子被局限在有源区（量子阱层），极大地提高了载流子的密度。
2.光场限制：由于异质结界面两侧材料折射率的不同，形成了一个光学谐振腔的效果，有效地约束光波在有源区来回传播，增强光子与载流子的相互作用。
3.超注入效应：双异质结能够实现高效泵浦，即使在较小的电压下也能使大量载流子反转，有利于形成激光振荡所需的粒子数反转状态。
优势：
1.阈值电流低：由于双异质结的良好载流子和光场限制效果，半导体激光器只需较低的注入电流就能达到激光阈值，降低了功耗。
2.高效率：提高内部量子效率，减少无辐射复合损失，从而提升了激光器的整体电光转换效率。
3.稳定性好：良好的侧向不均匀性抑制了模式跳变和其他不稳定现象，提高了激光器的运行稳定性和可靠性。
4.波长可调：通过改变双异质结的材料组合和厚度，可以灵活地调整激光器的工作波长，使其更易与其他光学系统如光纤进行耦合。
5.尺寸小、集成度高：双异质结激光器具有小型化特点，易于与其他微电子和光电子元件集成，应用于光通信、光存储、激光打印等领域。
二型异质结电荷转移机理
二型异质结电荷转移机理
二型异质结是由两种不同半导体材料构成的结构，其中一种半导体材料的导带较宽，能带较低，称为n型半导体；另一种半导体材料的价带较宽，能带较高，称为p型半导体。
异质结的电荷转移机理可分为正向偏置和反向偏置两种情况。
在正向偏置下，P端为高浓度区，N端为低浓度区，此时P端的电荷载流子浓度较高，N端的电荷载流子浓度较低。
由于浓度梯度的存在，电子从N端向P端扩散，同时空穴也从P端向N端扩散。
由于P端的电荷载流子浓度较高，较多的电子与空穴进行复合，形成正离子，从而产生电流。
在反向偏置下，偏置电压的方向与正向偏置相反，此时N端为高浓度区，P端为低浓度区。
由于电势梯度的存在，空穴从P端向N端迁移，电子从N端向P端迁移。
此时，P端的电荷载流子浓度较低，N端的电荷载流子浓度较高。
由于电荷载流子浓度的差异，会形成电场，使得空穴和电子继续迁移，然后进行扩散，导致电流的发生。
总之，二型异质结在正向偏置下，通过电子和空穴的正负载流子扩散和复合产生电流；在反向偏置下，借助电势梯度，电子和空穴迁移和扩散导致电流的形成。
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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
LOGO
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
4
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
LOGO
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。