第10课第七章半导体异质结激光器

7.5.2 载流子限制
对于同质结：
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* 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。
第10课第七章半导体异质结激光器
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。
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 半导体第1激0课第光七章器半导制体异备质结激光器
m=0）的方式工作。
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n (x ) 3 .5 9 0 0 .7 1 0 x 0 .0 9 1 x 2
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7.5.4 布拉格反射作用
29-pairAlN/GaNDBR
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多层介质膜的反射率
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。
势垒：
E , E Ec 0.85Eg
c
v Ev 0.15Eg
GaAlAs/GaAs 异质结：
pP同型异质结势垒高度有Ec 决定。
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电子分布
对电子的限制
c(E Ec) fc
(7.22)
(E E
1 2mn 3/2
(EEc)1/2dE
22 h2
exp[(EFc)/kT]1
Ec
n1.61014cm3
（ 7.27)
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导带中的载流子第均10课在第七D章E半c导以体异上质结。激光可器 以漏出有源区。
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同质结作用区也有微小的波导作用 第10课第七章半导折体异射质结率激光与器 载流子浓度有关。
Have different refractive index
nGaAlAs < nGaAs
•r21=B21f2(1-f1)p(E21)
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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：
d
2 d 2
Ey2
(x,
y,
z)dx
Ey2
(
x,
y,
z)dx
（7.29）
对于对称波导来说，上式可
简化为：
d
0 2Ey2(x,y,z)dx
（7.30）
d
0 2Ey2(x,y,z)dx
d2第E10y2课(第x七,章y半,z导)体d异质x结激光器
• 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（
对空穴的限制
P型有源层内空穴的势垒为
（VDVa)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 ( ) 1 2m p 3/2 q(V DV a)Ec (E vE)1/2dE
22 2
1exp[(F vE)/kT]
p7.11014cm 3
(7.28)
这些空穴可以漏进N型无源区。
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7.5.3 异质结的光限制作用
θc = arc sin(n1/n2) θc = arc sin(n3/n2)
光子被全反射
有：n2>n1; n2>n3
光波导---又称光子限定
0
E EgL Eg
（7.23) (7.24)
n ( ) 1 2mnx 3/2 [E'(EcE)]1/2dE'
x 22 2
1exp[(E'Fc)/kT]
0
EEgx Eg
(7.25)
n(E)nnLnx
nnnLnx
(7.26) 第10课第七章半导体异质结激光器
Ec 0.318eV
n ( )( )
)(
1
)(
2 m n
)3/ 2
(E
E
)1/ 2
c
c
2 2
h2
c
fபைடு நூலகம்
1
c
{exp[( EFc )/ kT ]1}
n ( ) 1 2mn 3/2
(EEc)1/ 2 dE
22 2
1exp[(EFc)/kT]
0
n ( ) 1 2mnL 3/2 [E'(EcE)]1/2dE'
L 22 2
1exp[(E'Fc)/kT]
7.5 异质结在半导体激光器中的应用
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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。
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1. 实现激光 2. 粒子数反转---3. 实现这种反
转—
载流子注入
7.5.1 超注入
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需要多高的注入
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粒子数反转的要求可以通过重掺实现，但是
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利用异质结实现超注入
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