半導(dǎo)體光電子學(xué)第二章第四章

1、第二章第二章 異異 質(zhì)質(zhì) 結(jié)結(jié)F前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié) F2.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 F2.2異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 F2.3異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 F2.4 對(duì)注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求F2.5 異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制F小結(jié)前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)前言：半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)p-n結(jié)結(jié)：把一塊p型半導(dǎo)體和一塊n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界面處就形成了所謂的p-n結(jié)。同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：由兩種禁帶寬度相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。pn突變結(jié)：突變結(jié)：在交界面處，雜質(zhì)濃度由NA（p型）突變?yōu)镹D（n型），具有這種雜質(zhì)分布的p-n 結(jié)稱為突變結(jié)。緩變結(jié)：緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。空間電荷

2、空間電荷空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)電勢(shì)差電勢(shì)差VDNP2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料，通過(guò)一定的生長(zhǎng)方法所形成的結(jié)。半導(dǎo)體中是兩種不同單晶半導(dǎo)體材料之間的晶體界面，也可以說(shuō)是由兩種基本物理參數(shù)不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成的晶體界面，不同的物理參數(shù)包括Eg，功函數(shù)（），電子親和勢(shì)（），介電常數(shù)（）。同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：由兩種禁帶寬度相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。由同種材料構(gòu)成的結(jié)。（廣義）由構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的摻雜（或由構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的摻雜（或?qū)щ姡╊愋?，可將異質(zhì)結(jié)分為導(dǎo)電）類型，可將異質(zhì)結(jié)分為:異型異質(zhì)結(jié)：異型異質(zhì)結(jié)：P-

3、n，p-N；同型異質(zhì)結(jié)：同型異質(zhì)結(jié)：n-N，p-P。P，N寬帶隙材料；p，n窄帶隙材料。突變結(jié)、緩變結(jié)突變結(jié)、緩變結(jié)：按照過(guò)度區(qū)空間電荷分布情況及厚度的不同，前者有明顯的空間電荷區(qū)邊界，其厚度只有幾個(gè)晶格常數(shù)大小，而后者的空間電荷濃度向體內(nèi)逐漸變化，其厚度可達(dá)幾個(gè)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度。電子親和勢(shì)：一個(gè)電子從導(dǎo)帶底轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。真空能級(jí)：真空中靜止電子的能量。功函數(shù)：將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)EF處轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需能量。能帶分析作能帶圖的步驟作能帶圖的步驟以同一水平線的真空能級(jí)為參考能級(jí)，根據(jù)各自的、Eg值畫(huà)出兩種半導(dǎo)體材料的能帶圖，如圖2.1-1所示兩種材料形成異質(zhì)結(jié)后應(yīng)處于同一平衡系統(tǒng)中，

4、因而各自的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)相同，而各自的、 仍維持原值不變；畫(huà)出空間電荷區(qū)（由內(nèi)建電勢(shì)可求空間電荷區(qū)寬度），值在空間電荷區(qū)以外保持各自的值不變；真空能級(jí)連續(xù)與帶邊平行（彎曲總量為兩邊費(fèi)米能級(jí)之差，每側(cè)彎曲程度由費(fèi)米能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)之差決定，由摻雜濃度決定）；而各自的、Eg不變。原來(lái)兩種材料導(dǎo)帶、價(jià)帶位置之間的關(guān)系在交界處不變。 1=Ev1-F1，2=Ec2-F2Ec=1-2=（2.1-1）Ev=Ev2-Ev1 =（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg-=Eg-Ec Eg=Ec+EveVD=1-2=F1-F2=e（VDp+VDN） 由泊松方程 02)(x,rxtVdxdVxE/)(1212/pADpx

5、eNV2222/NDDNxeNV221212/NDpADNDpxNxNVVNDpAxNxN21NpADxxNN121212/ADDNDpNNVV)1 (2211DADpDNDpDNNVVVV2/122111221)(2DAADDpNNNVNex2/122112121)(2DADDANNNNVNex2/1221121211)(2)(DADDApADjNNVNNexeNdVdCdVdQ上面講的是平衡結(jié)（無(wú)外界作用）的情況，當(dāng)在結(jié)兩邊加上正向電壓Va后，它在結(jié)兩邊空間電荷區(qū)上的壓降分別為V1和V2，這時(shí)的勢(shì)壘高度就由原來(lái)的eVD降低到e（VD-Va）=e（VDp-V1）+（VDN-V2），只要用（V

6、D-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分別代替VD、VDp、VDN，上面講的公式仍然成立。異質(zhì)結(jié)的電流-電壓特性 12()expexpcDpDNBBEeVeVAAk Tk T)(exp/ )(exp1122TkVeVEATkVVeAJBDpcBDN221exp(/)exp(/)exp(/)DNBBBJAeVk TeVk TeVk T100kTqVppnnnpeLDpLDnqj二、突變同型異質(zhì)結(jié) )/exp()/)exp(/exp(211TkeVTkeVTkeVBJBBBD2.2 異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用 一、在半導(dǎo)體激光器中的作用 1. pN異型異質(zhì)結(jié)處在正向電壓時(shí)，異質(zhì)結(jié)勢(shì)

7、壘高度降低，N區(qū)的電子可以越過(guò)勢(shì)壘和隧穿勢(shì)壘而注入窄帶隙p區(qū)，這種異質(zhì)結(jié)有助于載流子從寬帶隙區(qū)向窄帶隙區(qū)的注入，同時(shí)該異質(zhì)結(jié)在價(jià)帶上的勢(shì)壘也阻礙著空穴由p區(qū)向N區(qū)的注入。2.同型異質(zhì)結(jié)pP有一個(gè)較高的勢(shì)壘以阻擋注入p區(qū)的電子漏出。3.由于窄帶隙半導(dǎo)體的折射率比寬帶隙高，因此有源區(qū)兩邊的同型和異型異質(zhì)結(jié)都能產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng)，從而限制有源區(qū)中的光子從該區(qū)向?qū)拵断拗茖右莩龆鴵p失掉。n1n3.4.在實(shí)際激光器的結(jié)構(gòu)中，需要生長(zhǎng)一層與前一層摻雜類型相同但雜質(zhì)濃度很高（1020/cm3）的蓋帽層（或頂層），這種同型異質(zhì)結(jié)可用來(lái)減少與相繼的金屬電極層之間的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。 二、異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極

8、管（LED）中的作用 光信息領(lǐng)域中使用的LED和半導(dǎo)體激光器一樣，也是采用多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其作用同樣是載流子限制、光子限制，減少內(nèi)部損耗。在表面發(fā)射LED中，還可以在靠近有源區(qū)的表面生長(zhǎng)一個(gè)能透明的同型異質(zhì)結(jié)，它一方面用來(lái)鈍化表面，減少注入有源區(qū)的載流子與表面態(tài)復(fù)合而造成損失，提高器件穩(wěn)定性，另一方面還可以減少器件與空氣界面的反射損失，從而增加輸出。 三、異質(zhì)結(jié)在光電二極管探測(cè)器中的應(yīng)用作為光探測(cè)器，希望它有寬的光譜響應(yīng)范圍和高的光電轉(zhuǎn)換效率。在包含有異質(zhì)結(jié)的光電二極管中，寬帶隙半導(dǎo)體成為窄帶隙半導(dǎo)體的輸入窗，利用這種窗口效應(yīng)，可以使光電二極管的光譜響應(yīng)范圍加寬。如圖2.2-1(a)，異質(zhì)結(jié)由寬

9、帶隙Eg1和窄帶隙Eg2兩種半導(dǎo)體組成，Eg1Eg2，只要入射光子能量hEg1，則光能透過(guò)1，透射譜線如圖中虛線所示。透過(guò)半導(dǎo)體1的光子，如果能量滿足hEg2，則它被半導(dǎo)體2吸收，吸收譜線如圖中實(shí)線。顯然，圖中陰影部分表示這種結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器能有效工作的范圍，入射光子應(yīng)滿足Eg1hEg2。如圖(b)中表示同質(zhì)結(jié)的情況，可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有效吸收的光子非常有限。 光子能量透射系數(shù)和吸收系數(shù)光子能量透射系數(shù)和吸收系數(shù)作業(yè): 教材73頁(yè)第2、3題另：1、根據(jù)泊松方程推導(dǎo)教材中的（2.1-5）， （2.1-6）， （2.1-7），根據(jù)結(jié)電容的定義推導(dǎo) （2.1-9）式。2、什么是異質(zhì)結(jié)？異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體激

10、光器中有哪些典型作用？3、異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極管（LED）中有什么作用？4、在光電二極管探測(cè)器中，是如何利用異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)來(lái)提高其光譜響應(yīng)范圍的？5、異性異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)是由 決定的， 而同性異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)則是由 決定的。 第三節(jié) 異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配 形成理想的異質(zhì)結(jié)，要求兩種半導(dǎo)體材料在晶體結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量相近或相同，晶格常數(shù)應(yīng)盡量相同，以前的異質(zhì)結(jié)都是由晶體結(jié)構(gòu)相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的（如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)），近年來(lái)由于光電子集成（OEIC-Optoelectronic Integrated Circuit）技術(shù)的迫切需要，并考慮到硅是一種常用來(lái)制造微電子學(xué)

11、器件且制造與加工工藝均成熟的材料，因此在價(jià)格便宜的硅基體上MBE和MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)GaAs而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的技術(shù)正不斷發(fā)展。 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 懸掛鍵懸掛鍵：晶格在表面的最外層的每個(gè)硅原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子即有一個(gè)未飽和鍵，如圖，這個(gè)鍵稱為懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)就是表面態(tài)。表面態(tài)。 一般認(rèn)為，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種不同半導(dǎo)體之間嚴(yán)格的晶格常數(shù)匹配是獲取性能良好的異質(zhì)結(jié)的重要條件，否則在異質(zhì)結(jié)表面就會(huì)產(chǎn)生所謂的懸掛鍵。復(fù)合中心：能夠促進(jìn)復(fù)合過(guò)程的雜質(zhì)和缺陷。 晶格常數(shù)：晶體學(xué)晶胞各個(gè)邊的實(shí)際長(zhǎng)度失

12、配位錯(cuò)：兩種材料晶格常數(shù)不相等，界面處形成位錯(cuò)。 異質(zhì)結(jié)界面上由懸掛鍵引起的界面態(tài)密度與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和晶面有關(guān)，不同晶面上界面態(tài)密度不同，在具有面心立方結(jié)構(gòu)的金剛石和閃鋅礦晶體中（100）（110）（111）晶面上生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)中所包含懸掛鍵或界面態(tài)密度分別為)11(4)100(2122aaNs)11(22)110(2122aaNs)11(34)111(2122aaNs 由于界面態(tài)的存在會(huì)對(duì)從寬帶隙向窄帶隙半導(dǎo)體的載流子注入與復(fù)合產(chǎn)生影響，使非輻射復(fù)合速率增加，從而使內(nèi)量子效率降低。 a. 越過(guò)勢(shì)壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合，b.越過(guò)勢(shì)壘的空穴與界面態(tài)復(fù)合，c. 隧穿勢(shì)壘的空穴在n區(qū)內(nèi)復(fù)合，d. 隧穿勢(shì)壘

13、的空穴與界面態(tài)復(fù)合。 dENvsISthn21aaa)(8020aaavSnth%100)(0aa0212aaa晶格失配率 界面復(fù)合速度： 雙異質(zhì)結(jié)激光器中若兩個(gè)異質(zhì)結(jié)之間的距離為d，當(dāng)體內(nèi)復(fù)合與界面態(tài)復(fù)合并存時(shí)，則注入載流子的有效復(fù)合壽命可表示為 nrreffds12111)21 (nrrrids內(nèi)量子效率 effr11rnr1)21 (dsri內(nèi)量子效率與晶格失配率成反比。 實(shí)際半導(dǎo)體光電子器件的異質(zhì)結(jié)都是在某一襯底材料上外延生長(zhǎng)所形成的，外延層的質(zhì)量取決于襯底材料本身結(jié)晶的完美性，外延層與襯底之間的晶格匹配、外延層的厚度以及合適的生長(zhǎng)工藝等多種因素。（弗伽定律）ACADBCBDABCDa

14、yxaxyayxxyaa)1)(1 ()1 ()1 (yyxxPAsInGa11InPInAsGaPGaAsGaInAsPayxaxyayxxyaa)1)(1 ()1 ()1 (GaAs、InP和InGaAsP臨界厚度 aahc22/20)1)(0()(TaTaInPInAsGaPGaAsGaInAsPyxxyyxxy)1)(1 ()1 ()1 ( 一般認(rèn)為，晶格不匹配的異質(zhì)結(jié)在性能上是不穩(wěn)定的，但隨著MBE（Molecular Beam Epitaxy取向附生）、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）等外延技術(shù)的發(fā)展，

15、可以生長(zhǎng)出原子級(jí)薄層，只要外延層小于某一臨界厚度（幾十nm），則兩種材料的晶格失配可由彈性應(yīng)變的形式來(lái)彌補(bǔ)，而不產(chǎn)生影響器件性能的失配位錯(cuò)，利用這種原子層外延技術(shù)可以生長(zhǎng)所謂應(yīng)變異質(zhì)結(jié)，有可能在Si上生長(zhǎng)GeSi或GaAs外延層，這樣將在光電子集成（OEIC-optoelectronic integrated circuit）方面獲得廣泛的應(yīng)用。 作業(yè): 教材73頁(yè)第5題另： 1、在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵（GaN）產(chǎn)生藍(lán)色的LED和LD已經(jīng)分別在白光照明和大容量存儲(chǔ)中獲得應(yīng)用，然而，這些異構(gòu)異質(zhì)外延生長(zhǎng)都 來(lái)過(guò)渡晶格常數(shù)大的差異來(lái)緩減晶格適配的影響。 2、什么是懸掛鍵？懸掛鍵的存在對(duì)半導(dǎo)體激光

16、器有什么危害？ 3、通常來(lái)說(shuō)，為什么在（111）面上生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)是比較理想的？ 4、以圖2.3-1所示的nP結(jié)為例說(shuō)明在實(shí)際的異質(zhì)結(jié)中可能存在的幾種復(fù)合過(guò)程。 5、InGaAsP外延層和InP襯底之間可以實(shí)現(xiàn)理想的晶格匹配，為什么在超出一定厚度后仍會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)？這一厚度被稱為？ 2.4 對(duì)激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求 一、直接帶隙，從激射波長(zhǎng)出發(fā)來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器材料hEgeVEmg24. 1對(duì)Ga1-xAlxAs，其禁帶寬度可表示為 xeVEg247. 1424. 145. 00 x245. 0147. 1247. 1424. 1xxeVEg145. 0 x 在x0.37時(shí)，Ga1-xAlxAs中的電

17、子將由直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙躍遷，因此不能用GaAlAs作有源材料制作發(fā)射波長(zhǎng)0.65m的激光器。 為了限制注入有源區(qū)的載流子，應(yīng)使有源層與相鄰的限制層之間存在0.250.4eV的帶隙臺(tái)階Eg，如取Eg=0.3eV，當(dāng)有源層AlAs組分為018%（對(duì)于波長(zhǎng)0.870.75m），則限制層中的AlAs含量應(yīng)為2025%。 四元化合物用弗伽定律表示帶隙，GaInAsP：GaPgGaAsgInPgInAsggEyxyxEEyxyExeVE1111 選擇材料時(shí)，還應(yīng)考慮到摻雜和注入的載流子濃度對(duì)帶隙大小產(chǎn)生的影響，相應(yīng)造成激射波長(zhǎng)的漂移。 在半導(dǎo)體中，摻雜濃度與注入載流子濃度之間滿足電中性條件：DANpN

18、n0pnp31318106 . 1424. 1npEg 由式中可見(jiàn)，摻雜或載流子注入會(huì)引起帶隙收縮，即半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)紅移 二、從晶格匹配來(lái)考慮異質(zhì)結(jié)激光器材料三、由異質(zhì)結(jié)的光波導(dǎo)效應(yīng)來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器材料nn/3-7% n=3.590-0.710 x+0.091x2 在半導(dǎo)體中摻雜濃度、注入載流子濃度和溫度都對(duì)折射率產(chǎn)生影響，圖2.4-8表示摻雜對(duì)GaAs折射率的影響，折射率隨摻雜濃度的增高而降低會(huì)減弱有源區(qū)的光波導(dǎo)效應(yīng)，在開(kāi)始同質(zhì)結(jié)中人們用這種摻雜來(lái)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，現(xiàn)在異質(zhì)結(jié)不用了，有源區(qū)是本征的了。 TnT10104 綜上選擇折射率受能量、摻雜、注入載流子、溫度等多種因素影響，

19、為了獲得合理的折射率臺(tái)階要多方考慮，這樣才能提高半導(dǎo)體激光器的性能。 四、襯底材料的考慮 1.襯底應(yīng)該與在其上外延生長(zhǎng)的材料有很好的晶格匹配，要求晶格常數(shù)盡量相同，二者要求有盡可能多的相同原子構(gòu)成。 2.襯底本身的位錯(cuò)密度應(yīng)盡可能小，有盡可能少的晶格缺陷。3.襯底與在其上所要形成的外延層在生長(zhǎng)工藝上的相容性，在生長(zhǎng)條件下材料與襯底之間應(yīng)有盡可能小的互作用，不造成彼此之間的分解。 另外，選擇合適的襯底晶面生長(zhǎng)，即擇優(yōu)取向生長(zhǎng)是很重要的。 作業(yè)作業(yè): 教材教材73頁(yè)第頁(yè)第7題題另：另：1、半導(dǎo)體激光器對(duì)異質(zhì)結(jié)的基本要求有哪些？、半導(dǎo)體激光器對(duì)異質(zhì)結(jié)的基本要求有哪些？ 2、寫出、寫出GaAs半導(dǎo)體：

20、帶隙與載流子的濃度關(guān)系式。并以此分析說(shuō)明在半導(dǎo)體：帶隙與載流子的濃度關(guān)系式。并以此分析說(shuō)明在GaAs半導(dǎo)體中載流子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致一些什么樣的現(xiàn)象發(fā)生。半導(dǎo)體中載流子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致一些什么樣的現(xiàn)象發(fā)生。 3 、 根 據(jù) 圖、 根 據(jù) 圖 2 . 4 . 2 ， 分 析 為 什 么 可 以 以， 分 析 為 什 么 可 以 以 G a A s 為 襯 底 生 長(zhǎng) 得 到 的為 襯 底 生 長(zhǎng) 得 到 的AlGaAs/GaAs激光器？但是為什么目前用激光器？但是為什么目前用AlGaAs/GaAs還不能很好的用來(lái)制還不能很好的用來(lái)制造可見(jiàn)光激光器？造可見(jiàn)光激光器？ 4、對(duì)于異質(zhì)結(jié)激光器，一般希望有

21、源區(qū)和限制層的相對(duì)折射率在一個(gè)什么、對(duì)于異質(zhì)結(jié)激光器，一般希望有源區(qū)和限制層的相對(duì)折射率在一個(gè)什么樣的范圍之內(nèi)？哪邊的折射率相對(duì)要高一些？樣的范圍之內(nèi)？哪邊的折射率相對(duì)要高一些？ 5、在半導(dǎo)體中，哪些因素對(duì)材料的折射率有影響？其中注入載流子濃度是、在半導(dǎo)體中，哪些因素對(duì)材料的折射率有影響？其中注入載流子濃度是如何影響材料的折射率的？如何影響材料的折射率的？ 6、對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的、對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的LD，LED以及其他光電子器件，對(duì)襯底的要求有哪些？以及其他光電子器件，對(duì)襯底的要求有哪些？2.5 異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制 異質(zhì)結(jié)限制載流子的能力與勢(shì)壘高度、結(jié)溫度等因素有關(guān)，由于受到晶格

22、匹配的限制，不可能無(wú)限地增加勢(shì)壘高度，從載流子能量統(tǒng)計(jì)分布的特點(diǎn)來(lái)看，部分載流子不可避免地越過(guò)勢(shì)壘而泄漏，漏出的載流子以非輻射復(fù)合釋放能量，將惡化器件的性能，下面分析異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制。 一、異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘對(duì)電子和空穴的限制 cEe（VD-Va）和 VE 以GaAs為例定量說(shuō)明異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制能力，求出漏出有源區(qū)的載流子濃度.在GaAs有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要注入的載流子濃度約為(1-1.3)1018/cm3，為達(dá)到閾值需要注入的總電子濃度約為21018/cm3，所注入的載流子絕大部分處在直接帶隙的“”能谷中eVEL284. 0eVEX476. 0各能谷中電子濃度表達(dá)式02/12322/

23、)exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBcce02/12322/ ) exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBccXeX02/12322/ )exp(1) ()2(21TkFEdEEEmnBccLeLXLnnnEn)(/LXnnnnTkEENnFcc00exp323022hTkmNncFc-Ec=0.079eV cEBcceTkFEdEEEmnexp1221212322同樣方法，將式（2.5-3）的積分下限改為Ec，將E=0.284eV帶入該式，就可求出“L”能谷中不受勢(shì)壘Ec限制而漏出的電子濃度。谷E=Eg =0.476eV，大于0.318eV，所在“”導(dǎo)帶能谷中的電子n全

24、部漏出。由式（3.5-4）可求出泄漏電子濃度n=n，總的漏電子是三者之和，它們成為惡化器件性能的漏電流?？紤]pN異質(zhì)結(jié)對(duì)空穴的限制時(shí)，勢(shì)壘為e(VD-Va)+Ev決定，其余方法相同。 超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象: 二、由泄漏載流子引起的漏電流 泄漏無(wú)疑減少了有源區(qū)中可用來(lái)產(chǎn)生輻射復(fù)合的載流子，使內(nèi)量子效率降低，閾值電流密度提高，結(jié)溫升高，溫度穩(wěn)定性差。 三、載流子泄漏對(duì)半導(dǎo)體激光器的影響 作業(yè): 教材73頁(yè)第9、10題另：1、對(duì)于有源層很薄的NpP型GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)激光器中，加上正向偏壓后，電子和空穴的勢(shì)壘高度分別受到哪些因素影響？ 2、什么是“超注入”，這種現(xiàn)象對(duì)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器有

25、什么意義？ 3、寫出圖2.5-4中各電流的含義。并給出電子流的一維連續(xù)性方程，并寫出其中各參數(shù)的含義。 4、載流子泄漏對(duì)半導(dǎo)體激光器有什么影響？第四章 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 4.1 概述4.2 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩4.3 在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器4.4 條形半導(dǎo)體激光器4.5 條形半導(dǎo)體激光器中的增益波導(dǎo)4.6 垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）4.7 分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器4.1 概述一臺(tái)激光器一般由工作物質(zhì)、激勵(lì)源和光學(xué)諧振腔三部分組成 工作物質(zhì)激勵(lì)源光學(xué)諧振腔根據(jù)工作物質(zhì)不同有氣體、固體、染料、半導(dǎo)體、化學(xué)等種類的激光器。 對(duì)于半導(dǎo)體激光器也是由這三部分組成的。工作物質(zhì)也叫

26、有源區(qū)；諧振腔是晶體的自然解理面，泵浦源是電源。 與其它激光器不同的是，半導(dǎo)體激光器具有層狀結(jié)構(gòu),其作用相當(dāng)于固體激光器的聚光腔，半導(dǎo)體激光器的諧振腔不是由外加反射鏡構(gòu)成，而是利用半導(dǎo)體本身的晶體解理面形成內(nèi)反射腔，這使得半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)很緊湊，避免了外加諧振腔可能產(chǎn)生的機(jī)械不穩(wěn)定性，半導(dǎo)體激光器的電源簡(jiǎn)單，電流電壓都很小，工作使用很方便、安全，優(yōu)點(diǎn)。 1962年同質(zhì)結(jié)LD，Jth達(dá)到104A/cm2量級(jí)，液氮下脈沖工作，毫無(wú)使用價(jià)值。1967年LPE生長(zhǎng)出GaAlAs-GaAs異質(zhì)結(jié)并很快研制出單異質(zhì)結(jié)LD，Jth達(dá)到8.6103A/cm2，下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了室溫下脈沖工作，1970

27、年，雙異質(zhì)結(jié)Jth量級(jí)又下降一個(gè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)室溫工作，迅速在光纖通信、光信息處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 作業(yè): 1、激光器的基本結(jié)構(gòu)由哪幾部分組成？半導(dǎo)體激光器的諧振腔有什么突出特點(diǎn)？ 2、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)從1962年問(wèn)世到1970年開(kāi)始利用，經(jīng)歷了哪3個(gè)階段？量子阱材料的半導(dǎo)體激光器有什么特點(diǎn)？ 3、從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始相繼出現(xiàn)了一些不同結(jié)構(gòu)特定、高頻響應(yīng)特性好、熱穩(wěn)定性好的單縱模激光器，舉例進(jìn)行說(shuō)明。L輸入端輸出端t1Eit1Eiexp(-jL)t1t2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j

28、3L)部分反射端面1部分反射端面2圖4.2-1光子在平行腔內(nèi)增益介質(zhì)中振蕩的示意圖4.2 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩 )exp(zjEEi0)(kk jn4/0k00/2kr1r2Eiexp(-2jL)=Ei r1r2 exp(-2jL)=1 1 20exp2()1rrj njk kL1)4exp(021Lnjrr=i-g，g是增益系數(shù), i為介質(zhì)的內(nèi)部損耗系數(shù), 1)4exp()exp(021LnjLgrri1)exp(21Lgrri1)4exp(0Lnj閾值振幅條件相位條件211ln1rrLgiht211ln21RRLgihtRLgiht1ln1)1ln1(1RLAJJitth物理意義？mLn2

29、4002mLn nLdmddm200)(1 200200dndnLnd1)4exp(0Lnj縱模 作業(yè): 1、什么是半導(dǎo)體激光器的閾值條件? 它對(duì)諧振腔內(nèi)光子有什么要求？ 2、推導(dǎo)光子在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩的閾值振幅條件和相位條件。 3、如何降低激光器的閾值增益。激光器的縱模間隔是多少？4.3 在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器 一、同質(zhì)結(jié)激光器n+-GaaAsp+-GaaAs同質(zhì)結(jié)遇到的困難是，閾值電流密度高，而且隨溫度發(fā)生劇烈變化， 電子擴(kuò)散長(zhǎng)度增加 光波導(dǎo)效應(yīng) P型GaAs容易吸收光子 )1ln1(1RLAJJitth將注入載流子有效地限制在比電子擴(kuò)散長(zhǎng)度小得多

30、的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生受激發(fā)射；將產(chǎn)生的光子在垂直于結(jié)平面方向上限制，使光子在諧振腔內(nèi)振蕩放大. 二、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 三、雙異質(zhì)結(jié)激光器 對(duì)半導(dǎo)體LD的研究主要集中在：壽命增加，穩(wěn)定性，可靠性，性能退化和失效機(jī)理，這主要是研究各種條形LD，降低Jth，Ith；工作波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大。最開(kāi)始AlGaAs-GaAs的=0.85m，為適應(yīng)光纖通信發(fā)展，需研制對(duì)應(yīng)光纖更 低 損 耗 窗 口 的 波 長(zhǎng) ， 研 制 了 1 . 1 - 1 . 7 m InGaAsP/InP激光器，為適應(yīng)光盤等信息存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射可見(jiàn)光的半導(dǎo)體激光器被研究；壓縮半導(dǎo)體激光器的線寬和在高速調(diào)制下的單模工作（即動(dòng)態(tài)單縱模）；提高半

31、導(dǎo)體激光器的輸出功率和輸出光束的相干性，使光子從信息領(lǐng)域擴(kuò)展到以光為能量載體的材料加工領(lǐng)域。 作業(yè): 教材138頁(yè)第1題另：1、描述單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。解釋說(shuō)明其相對(duì)于同質(zhì)結(jié)的優(yōu)越性。并說(shuō)明其缺點(diǎn)。 2、描述雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。并簡(jiǎn)要說(shuō)明其優(yōu)點(diǎn)。 3、畫(huà)出雙異質(zhì)結(jié)N-GaAlAs/p-GaAs/P-GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)激光器在垂直于結(jié)平面方向的能帶圖，折射率分布和光強(qiáng)分布圖。 3、目前對(duì)半導(dǎo)體LD的研究主要集中在哪些方面？4.4 條形半導(dǎo)體激光器條形半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)結(jié)LD的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，僅僅在垂直于結(jié)平面方向（橫向）對(duì)有源區(qū)的載流子和光子進(jìn)行限制的寬面異質(zhì)結(jié)LD有許多不足之

32、處。側(cè)向（平行于結(jié)平面）具有許多模式，近場(chǎng)分布呈現(xiàn)出所謂多“光絲光絲”，而且隨著注入電流的增加，這些光絲的空間分布將發(fā)生變化， 在很多應(yīng)用中要求LD有很好的橫模橫模（包括側(cè)模）括側(cè)模）特性。一些應(yīng)用中，要求有盡可能圓對(duì)稱的遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑光斑. .可行的途徑是在LD有源層的側(cè)向也對(duì)其內(nèi)部的載流子和光子施行限制。形成所謂條形LD，條形LD是LD實(shí)現(xiàn)室溫工作后一個(gè)重要的發(fā)展里發(fā)展里程碑程碑。一、條形半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn) 由于有源區(qū)側(cè)向尺寸減小，光場(chǎng)對(duì)稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率；因?yàn)樵趥?cè)向?qū)﹄娮雍凸鈭?chǎng)有限制，有利于減少激光器的閾值電流和工作電流，有利于提高電-光轉(zhuǎn)換效率。例如掩埋條形LD，I

33、th可達(dá)5mA以下，Pout達(dá)10mW以上；在這種結(jié)構(gòu)中，由于工作時(shí)產(chǎn)生熱量的有源層被掩埋在導(dǎo)熱性能良好的無(wú)源晶體之中，因而減少了激光器的熱阻，有利于熱散失，提高激光器的熱穩(wěn)定性；由于有源區(qū)面積小，容易獲得缺陷盡可能少或無(wú)缺陷的有源區(qū)，提高材料均勻性，同時(shí)除用作諧振腔的解理面外，整個(gè)有源區(qū)與外界隔離，有利于提高器件的穩(wěn)定性與可靠性；有利于改善側(cè)向模式。 二、條形激光器的種類 按它們?cè)趥?cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)，可分為兩類，即增益波導(dǎo)與折射率波導(dǎo)。增益波導(dǎo)是利用載流子密度在有源層側(cè)向的非均勻分布，而使有源層中心部分的增益（或復(fù)介電常數(shù)的虛部）高于其兩側(cè)，形成所謂的“增益波導(dǎo)”。側(cè)向折射率波導(dǎo)是由有源層與其兩

34、側(cè)材料的折射率差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 按有效折射率變化的大小而產(chǎn)生波導(dǎo)作用的強(qiáng)弱來(lái)分，有弱折射率波導(dǎo)和強(qiáng)折射率波導(dǎo)LD之分 增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LD：氧化物條形擴(kuò)散條形質(zhì)子轟擊條形橫結(jié)條形N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 氧化物條形質(zhì)子轟擊條形擴(kuò)散條形橫結(jié)條形弱折射率波導(dǎo) 強(qiáng)折射率波導(dǎo)激光器 1.腐蝕臺(tái)面掩埋異質(zhì)結(jié)LD 2.雙溝平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 3.V槽或溝道襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 4.臺(tái)面襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 腐蝕臺(tái)面掩埋異質(zhì)結(jié)LD N-InP I

35、nGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 熱沉2.雙溝平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP N-InP InGaAsP V槽或溝道襯底掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 三、條形三、條形LD中的中的側(cè)向電流擴(kuò)展側(cè)向電流擴(kuò)展和和側(cè)向載流子擴(kuò)散側(cè)向載流子擴(kuò)散 N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 側(cè)向電流擴(kuò)展和側(cè)向載流子擴(kuò)散 edyJNfdyNdD/ )()(2

36、212)(1)()(ssysJyJ21)(sJeTtmksrB假設(shè)：有源層厚度沿y方向不變；不考慮俄歇復(fù)合；忽略異質(zhì)結(jié)界面影響電流在閾值以下。edyJNfdyNdD/ )()(2200ydydNlim( )0yN y有效限制載流子側(cè)向擴(kuò)散的方法有：1.由于注入載流子濃度正比于注入電流，因而限制電流，氧注入好于質(zhì)子轟擊；2.pn結(jié)橫向限制和垂直于結(jié)一樣，多子限制少子注入3.橫向用異質(zhì)結(jié).橫向用異質(zhì)結(jié)橫向用異質(zhì)結(jié) 作業(yè): 教材138頁(yè)第2,3題另：1、條形激光器按它們?cè)趥?cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)可以分為那兩類？有什么區(qū)別？4.5 條形激光器中的增益波導(dǎo)條形激光器中的增益波導(dǎo) 條形LD的側(cè)向光波導(dǎo)性質(zhì)，可以分成

37、折射率波導(dǎo)與增益波導(dǎo)，增益波導(dǎo)LD沒(méi)有內(nèi)部的側(cè)向材料折射率差來(lái)導(dǎo)引光波，唯一的側(cè)向變化是由注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和載流子的側(cè)向擴(kuò)散所決定的載流子濃度在有源層內(nèi)分布。即在電極接觸條下方的有源層中心區(qū)域有最高的載流子濃度，而向兩側(cè)逐漸減少，因而受激輻射復(fù)合速率和增益也有類似的變化，把這一物理事實(shí)稱為“增益波導(dǎo)”。增益波導(dǎo)在LD和LED中對(duì)光場(chǎng)的限制是被動(dòng)的，光場(chǎng)在縱向傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生側(cè)向擴(kuò)展，因此增益波導(dǎo)相對(duì)于折射率波導(dǎo)是一種弱波導(dǎo)，有源層內(nèi)產(chǎn)生的功率將在光場(chǎng)的振蕩過(guò)程中產(chǎn)生較大的泄漏損耗。 與載流子分布有關(guān)的波導(dǎo)效應(yīng)還有，反波導(dǎo)和自聚焦效應(yīng)反波導(dǎo)和自聚焦效應(yīng)，由于自由載流子與光場(chǎng)（頻率為）的互作用所

38、產(chǎn)生的等離子體效應(yīng)，以及載流子在能帶之間躍遷與注入載流子的互作用使折射率減少，這使得有源層的折射率相對(duì)于增益在側(cè)向產(chǎn)生一個(gè)反分布（反波導(dǎo)）其結(jié)果是對(duì)光束產(chǎn)生散焦，增加光場(chǎng)的泄漏損耗，稱反波導(dǎo)效應(yīng)，自聚焦效應(yīng)，即在強(qiáng)的受激發(fā)射下，可能在有源層的中心區(qū)由于載流子的大量消耗而出現(xiàn)載流子分布的空間“燒洞”（凹陷），使得中心部分的折射率高于其兩側(cè)區(qū)域的折射率，結(jié)果是光場(chǎng)能量向中心會(huì)聚。由于增益波導(dǎo)中有上述一些復(fù)雜的過(guò)程，分析比折射率復(fù)雜得多增益波導(dǎo)分析0022yyEE00202yyEkE0r 0220)0(),(yayxsy 010),(yxsy )0()0()0(irjirjaaa)(exp)(202102ykayEry210222210)0( 2)()0()(rirryaayn)0(22)0()0(4)(22100ririryaayg1222020222(0)(0)(0)()() 4rg nnnnnassnsIg 021202ln4kaWr光強(qiáng)分布的半功率點(diǎn)或高斯光束的有效寬度 gnSW)0(68. 72040增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LD中的象散、中的象散、K因子因子 2222)()(dyyEdyyEKyy輸出光束是象散的，這就是說(shuō)，如果用球透鏡對(duì)解理腔面成像，則虛腰的象面處在與腔面的象平面不同的地