高等半导体物理Chapter 4 异质结构与量子阱激光器

第四章异质结构与量子阱激光器

4.1 半导体激光器的基础理论

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4.2 激光器的分类与应用

4.3 半导体激光器的基本结构

4.4 几种常见的半导体激光器

4.5 半导体量子阱激光器

h LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，意思是“光的受激发射放大”。激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。

光种光频荡或解为激光荡

h1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激年贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文奠定了激

光发展的基础。1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。

h1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。

h1969年，前苏联的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。

获年诺尔物学奖

h激光的特性：方向性好，亮度高，单色性好，相干性好。光子的高简并度包括了上述四特性。

h半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。

物质的类激光器件。

体积小，重量轻；

驱动功率和电流较低；

效率高，工作寿命长；

可直接电调制；

易于与各种光电子器件实现光电子集成；

与半导体制造技术兼容，可大批量生产。

与半导体制造技术兼容可大批量生产

z半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。

激光的大素

X激光器的三大要素

h广义而言，无论是固体激光器、气体激光器还是半导体激光器以及别的激光器，若要发出激光，必须满足三个基本条件：

若要发出激光必须满足三个基本条件

(1)能产生激光的物质。如镱铝石榴石（YAG）、He-Ne气体、GaAs晶体等，它

们都具有一定的能级或能带结构和载流子复合速率等。对于半导体来说，直接带们都具有定的能级或能带结构和载流子复合速率等对于半导体来说

隙半导体的发光效率比间接带隙半导体高3个数量级，因此只有直接带隙半导体材料才能制作激光器。

(2) 粒子数反转。我们可以采取某些措施，比如光照、高压放电、电流注入、化

学反应等不同方式把能量转换给能产生激光的物质，使其中的粒子由低能态泵浦到高能态。如果泵浦能力足够强，使位于高能态上的粒子数目远远大于该温度下平衡时低能态上的粒子数，从而实现粒子数反转。

(3) 谐振腔。谐振腔对合适波长的光产生正反馈，使其获得足够大的增益，克服

内部和端面的损耗，从而发生谐振，产生激光振荡。谐振腔起到了产生反馈、选择波长、形成谐振、发出激光的作用。

激光的大素

X激光器的三大要素

z半导体激光器的材料：直接带隙半导体。在各种半导体材料中，凡是能带结构为直接带隙的半导体材料都适合于制作激光器，它们是合适的激光物质；

z半导体激光器的泵浦方式：光照、电子束激发和通过pn结注入载流子等。pn 结注入是最常用也是很简便的方式；特别是异质结构具有高注入比和超注入等优异特性，可以非常方便有效地在半导体结构中实现载流子数目的反转；

z半导体激光器的谐振腔：可以以其自然解理面也可以用光栅。半导体晶体的（110）面很容易解理，这些解理面相互平行，又有一定的反射率，很容易地就形成了谐振腔。也可以通过周期性的光栅、布拉格反射器等方式制成性能更好的形成了谐振腔也可以通过周期性的光栅布拉格反射器等方式制成性能更好的谐振腔。

h直接带隙材料、电注入实现粒子数反转和谐振腔这三大要素构成了半导体激光

电注入实粒数反转这大素构成半体激光器的基本支柱，成为研究半导体激光器的三个重点。

X自发辐射和受激辐射

h爱因斯坦于1916年提出了自发辐射和受激辐射的概念。

z自发辐射：电子和空穴的复合过程是随机的，电子-空穴对复合时产生光子的波长、相位等彼此不相关，是一种自发性的行为，因此称之为自发辐射。

z受激辐射：这种受前一个光子诱发而发生的辐射复合过程称之为受激辐射。

同自发辐射形成对照的是：受激辐射的光谱窄，相位一致，有偏振方向，光输出功率大。

功率大

半体激光粒数反转的条件X 半导体激光器粒子数反转的条件z 半导体材料中载流子作本征跃迁时，受激辐射超出吸收的必要条件，也就是达到分布反转的必要条件是g

Fp Fn E h E E ≥>−ν要产生受激辐射，必须使电子和空穴的准费米能级之差大于入射光子能量hν。同时，受激辐射发生的光子，其能量必须是hν> E g 满

足粒子 数

反转的

在半导体激光器中，有源区常常采用重掺杂，其浓度足够高，常常形成杂质带。杂质带与导带底或价带顶相连构成杂质尾带理想能带相连，构成杂质尾带。结构

半体激光的阈值条件X 半导体激光器的阈值条件z 受激发射具有频率相同、位相相同、偏振方向相同和传播方向相同的特点，所以每对电子空穴对受激发射产生的光相互之间可以发生干涉只要参加干所以每一对电子-空穴对受激发射产生的光相互之间可以发生干涉，只要参加干涉的光子足够多，就能得到单色性和方向性极好的强光，称之为激光。使介质变成增益介质只是提供了产生激光的前提而要使激光能够出现还必z 使介质变成增益介质只是提供了产生激光的前提，而要使激光能够出现还必须有一个谐振腔，使光在谐振腔中反复加强。

h

阈值增益的条件：

此式的物理意义是增益

必须克服介质的内部损耗和

两个谐振镜面穿透出去所造

成的损耗才能产生激光。

光波在法布里-帕罗谐振腔中的传播