异质结激光器

  异质结激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展.异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值.异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的,采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子,降低阈值电流,提高效率。

设计思路

  制造激光器首先要有产生光的源,最重要的是要使粒子束翻转,这样才能够产生受激辐射,产生受激辐射光,在谐振腔作用下产生的激光。用异质结制作的半导体激光器可以把载流子限制在发光区,使大量的将要复合的电子和空穴沉积在窄带上,翻转的粒子束大于普通的半导体激光器。

  ALGaAs+n和ALGaAs+p是宽带中间是GaAs窄带,加正向偏压的情况下从ALGaAs+n的导带越过尖势垒向GaAs注入电子,电子由于受到同型异质结ALGaAs+p的势垒的作用在窄带处沉积,当然有少量的电子越过势垒跑掉了。同样在价带处,空穴从ALGaAs+p注入到窄带中,受到ALGaAs+n势垒的作用后沉积在窄带。那么在GaAs上形成了粒子束的反转。可以发现两边的宽带限制了载流子的运动,称为限制区。中间是实现粒子复合的区域成为有源区。

  和同质结激光器相比,异质结激光器由于宽带对有源区的限制,使发光的位置仅限于了有源区,使发光的区域集中,光强更大。双侧的异质结在两边提供了限制,单边异质结只能提供一边的限制。

  导带中的电子为了能够达到激射阈值需要注入2×1018/cm2个,为了能够在源区限制住这些电子需要有一定高度的势垒,这个势垒高度就是由结区的内建电势和ΔE共同决定的。电子基本处于Γ带中,其相邻的L带还有一部分在DEc下,X带的载流子都可以越过势垒。同样为了限制空穴要求提高价带的势垒 ,但是提高势垒会导致电子注入减小,这是不允许的,所以要有一个中间的度。能量高过势垒的电子和空穴都会漏掉。

  另外由于限制区掺了Al,折射率减小,有源区中辐射的光子在有源区中损耗很大,如果生长一层掺杂很大的盖帽层能够实现很好的欧姆接触。

  制造量子阱激光器是半导体激光器的重要一支,要使反转粒子数增大,这样就需要多造出量子阱。多造出一些量子阱,使有源区的面积扩大,但这样会增加制造的难度,主要是导带和价带的量子阱要在同一个平面内,这个在数量大时不容易实现。量子阱激光器的辐射复合是发生在价带和导带中分裂能级中的粒子。在分裂能级中态密度阶梯变化。由于分裂的能带不再是原来的导带底和价带顶,因此复合的能级会加大,出现激光的波长蓝移,通常有 ,一般势阱宽度小于电子空穴的扩散长度所以都限制在势阱中,粒子数反转的量很大。

结构

  一.异质结激光器的结构

  A.单异质结激光器与双异质结激光器(从材料)

  GaAs材料与GaAl材料

  Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成,叫作砷镓铝晶体,1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。

  B.反型异质结与同型异质结(从导电类型)

  反型:如n-GaAs与p-GaAlAs  or p-GaAs与n-GaAlAs

  同型:如p-GaAs与p-GaAlAs  or n-GaAs与n-GaAlAs

能带关系

  A.反型异质

  (a)p、n型

  不是简并型

  构成异质结之前热平衡状态下当形成异质结时,电子n        p

  空穴p        n

  直到两半导体有相等的     ,异质结即处于平衡状态。

  与p-n结一样,在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。

  N型半导体一边为正电荷,

  P型半导体一边为负电荷,这就是异质结区(阻挡层)。

  由于内建场的存在,使电子具有了附加电位能,因而使空间电荷区的能带发生了弯曲(基本与p-n结的形成相同的)。

  区别:由于禁带Eg不同,因而在两材料的上界面附近其能带出现与p-n结不同的特点:一能带在这界面处的变化是不连续的。

  1.在导带底,能量突变 △Ec,在这里形成“光路”。

  2.在价带底,能量突变△Ev, 在这里形成“凹口”。

  3.导带的势垒与价带不同,导带势垒低,而价带势垒高。

  4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。

  当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。

  5.势垒的减低和增高与 △Ec·△Ev 有关,即与两材料的禁带宽度Eg1Eg2之差有关。

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