光電子學 chp6-3(2)

1、6-3 半導體激光器-II 1 GaAs p-npn p-n p-n GaAs 二、注入式同質(zhì)結(jié)半導體激光器 、結(jié)構(gòu) 1962年研制成功，半導體激光器。 同質(zhì)結(jié)：結(jié)由同一種材料的 型和 型構(gòu)成。 結(jié)正向注入式 半導體激光器電子束激勵 的泵浦方式光激勵 碰撞電離激勵 諧振腔：結(jié)的兩個端面構(gòu)成平行平面腔。 方法：利用晶體的自然結(jié)晶面110， 端面反射率：32，一般將其中的一個面鍍?nèi)瓷淠ぁ?2 GaAs 、半導體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件 只有重摻雜材料，在外加泵浦激勵下才能 形成載流子的反轉(zhuǎn)分布。 D GaAspn eV p n 重摻雜的 區(qū)和 區(qū)的費米能級，分別進入 價帶和導帶。勢壘高度為。 在

2、 區(qū)，電子的填充水平很低，有大量空穴存在。 在 區(qū)，電子的填充水平很高，有大量電子存在。 pn VLL pnnp pnp D 施加正向電壓 ，圖中長虛線為費米能級，和分 別為空穴和電子的擴散長度。施加正向電壓時，勢壘 高度降低， 區(qū)空穴向 區(qū)移動， 區(qū)電子向 區(qū)移動。 區(qū)和 區(qū)的費米能級發(fā)生偏離， 區(qū)能級向下移動。 此時的勢壘高度為e(V -V)。 p-n g hE 在結(jié)附近，導帶中有電子，價帶中有空穴。這部分 區(qū)域稱為有源區(qū)。有源區(qū)內(nèi)導帶上的電子向下躍遷到 價帶上，產(chǎn)生電子空穴復合，多余的能量即以光子 的形式輻射出來。由晶體生長的110面形成平行平面 腔，在增益大于損耗時，形成激光輸出。輸出

3、光子的 能量近似等于禁帶寬度。 ( , ) : ar r a r cveh CV dNdN dtdt dN dN dN B N Nx dt B 在半導體內(nèi)，導帶和價帶之間除了有受激輻射， 還有受激吸收，二者同時存在。在激光輸出時， 產(chǎn)生受激輻射的速率必須大于產(chǎn)生受激吸收速率。 為單位時間內(nèi)單位體積中因受激輻射而增加的光子數(shù)。 為單位時間內(nèi)單位體積中因受激吸收而減少的光子數(shù)。 受激輻射速率 受激輻射愛因斯坦系數(shù)。 ( )( ) ()1() ( ) ( ) () () 1() ( )( )( ecc hvv c c v v v r cvccv NNE fE NNEhfEh NEE fEE NEhE

4、h fEhEh fEhEh dN B NE fE NEh dt 導帶上電子數(shù)為： 價帶上空穴數(shù)為： 式中：導帶中能量為 的能級密度。 ：導帶中電子在能級 上的幾率。 ：價帶中能量為的能級密度。 ：價帶中電子在能級上的幾率。 ：價帶中空穴在能級上的幾率。 ) 1() ( , ) v fEhx ()()( ) 1( ) ( , ) 0 ( )()( )() ( , )0 ( )() exp exp a vcvvc c vccvvc ar cvcvcv cv FnFp dN B NEhfEhNE dt fEx BBB dNdNdN dtdtdt B NE NEhfEfEhx fEfEh EEEhE

5、kT kT 受激吸收速率： ：受激吸收愛因斯坦系數(shù)。且： 總的光子數(shù)： 11 即： ()() 1 1 , pn FnFp FnFp g g FnFpg EEEhE EEh hE V E EEqVEV q 即：()() 即：()() 結(jié)論：（1）導帶能級的電子占有率大于 價帶能級的電子占有率。 （2）光子能量所以，電子和空穴 的準費米能級之差必須大于禁帶寬度。 所以， 區(qū)和 區(qū)必須高摻雜。 （3）正向電壓 足夠大， ()()，即 1 2 3 1 ln 2 1 ( ) t Grr L dI G dx I c I n c dIdddN gh n h dNd 內(nèi) 、閾值條件 增益的定義： 由關系式，可

6、得，光強增加量為： 輻射能量密度的增加量等于光子能量乘以光子 個數(shù)，這里我們考慮為頻率 的線型函數(shù)。 ( ) ( )()( )() ( , ) ( ) ( )() ( )() ( ) cvcvcv cvcv cv cc dIddN gh nn c B NE NEhfEfEh n x gh dt dt IdxB NE NEh dx fEfEhgh 1 ( )() ( )() ( ) ( )() ( )() ( ) ( )()000 cvcv cv cvcv cv cv t dI G dx I dt B NE NEh dx fEfEhgh n B NE NEh c fEfEhgh fEfEhGdI

7、 GG 在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時， ， 光強得到放大。并且當時，產(chǎn)生激光。 1 2 4 11 , 111 ln 2 GaAs35 10 A cm t m t m tt t GaAs JJ GJ mm GG JGrr L J 內(nèi) -2 舉例：激光器 泵浦方式：加正向電流 （閾值電流密度） 產(chǎn)生激光 為增益因子。 同質(zhì)結(jié)：；異質(zhì)結(jié)。 增益達到閾值時， 閾值電流密度（） 室溫下，同質(zhì)結(jié)， t GG 注入電流逐漸增大的過程中，經(jīng)歷了三種類型 的發(fā)光過程。 （1）電流較小時，發(fā)出的光為熒光。 光強較弱，帶寬較寬，以自發(fā)輻射為主。 （2）電流增大，G0，受激輻射起主導作用， 發(fā)出的光很強，但仍屬于熒光范疇，沒有

8、建立 起一定的模式，稱為超輻射。 （3）電流繼續(xù)增大，時，產(chǎn)生激光， 帶寬很窄，光強更強。 tt IIIII 比較小 熒光超輻射激光 自發(fā)輻射為主受激輻射受激輻射， 很小，光強很大無振蕩模式 GaAsGaAs pnGaAs 三、異質(zhì)結(jié)半導體激光器 1、結(jié)構(gòu)特點 對于類半導體，由同種材料 構(gòu)成的結(jié)，稱為同質(zhì)結(jié)。 pnGaAsGaAlAs SH 若結(jié)一側(cè)為材料，另一側(cè)為材料， 稱為異質(zhì)結(jié)。 若半導體激光器只有一個異質(zhì)結(jié)，稱為單異質(zhì) 結(jié)（）激光器。 DH 若半導體激光器有兩個異質(zhì)結(jié)，稱為雙異質(zhì) 結(jié)（）激光器。 2、平衡時異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) v 1-xxv pn P-PGaAl As-GaAs0 0.4

9、eV c c 由禁帶寬度不同的兩種材料構(gòu)成結(jié)時，在界面處 導帶和價帶都有突變，分別以 E 和 E 表示。 在型異質(zhì)結(jié)中， E， 當x=0.3時， E。 GaAs GaAs 3、的折射率變化 （1）摻雜濃度對材料折射率的影響 結(jié)論：摻雜濃度越大，折射率越低。 1-xx GaAl Asx n n x 5% （2）的折射率隨 的變化 n=0.62x x=0時， =3.59(GaAs) x=1時， =2.71(AlAs) 一般情況， =0.3， n=0.186 0.186 折射率突變量 3.59 SH四、單異質(zhì)結(jié)（）激光器 同質(zhì)結(jié)閾值高的原因： （1）正向電壓較高，有源區(qū)較寬，需要很大的 閾值電流。

10、（2）同質(zhì)結(jié)波導的折射率差值很小，0.11%， 邊界損耗大。 312 n n ,n x z 在有源區(qū)內(nèi)，電子和空穴的 復合使得自由載流子減少， 載流子濃度降低，折射率高， 即，在入射角較大時， 產(chǎn)生全反射。 方向形成駐波， 方向為行波。折射率差越大， 全反射臨界角越小。同質(zhì)結(jié) 的折射率差很?。?.11%）， 所以損耗比較大。一般只能在 脈沖條件下工作。 2 eV 8000A cm t （1）異質(zhì)結(jié)0.4左右 的勢壘限制電子的擴散， 增大了載流子濃度。 （2）5%的折射率突變， 使邊界損耗減小。 J 下降到 t -2 t -2 t DHL DHL DHL P GaAsd GaAs/GaAlAs

11、DHLJ 77KJ100A cm 300KJ1001000A cm m 五、雙異質(zhì)結(jié)激光器（） 1、的能帶 含有兩個異質(zhì)結(jié)，有源區(qū) 為 -，厚度為0.5。 特點：（1）電子和空穴均受到 異質(zhì)結(jié)勢壘的限制，載流子的 濃度大大提高，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越 多，增益也就越大。 （2）兩個異質(zhì)結(jié)處有5%的折射 率差，邊界損耗小。 的 時， 時， DHL2、的結(jié)構(gòu)（寬接觸型結(jié)構(gòu)） 特點：工作區(qū)域?qū)?，有源區(qū)的截面積大，工作時 需要的電流大，溫升高，不利于室溫下連續(xù)工作。 DHL m 改進：質(zhì)子轟擊條形 用直徑1220的金絲或 鎢絲把外延片沿腔軸方向 掩蔽以來，再用300600 千電子伏質(zhì)子轟擊其余部 分，使被轟擊部分電阻率 增高兩個數(shù)量級以上，除 去掩蔽物，裝上電極就制 作成了條形器件。 t W J mA