LOGO6-5 半导体激光器第六章 光敏及光电器件LOGO半导体激光器的发明 半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉-巴索夫的工作最为杰出。 在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。 LOGO半导体激光器的历史1962年，hall发明了同质激光器（两端面垂直抛光制 成反射镜构成谐振腔）。1963年，邦德（Bond）报道了利用自然解理面作为 反射镜的同质激光器。1963年，Kroemor提出异质结激光器的设计理论。1967年，伍德尔（Woodall）利用液相外延技术在GaAs 上生长了宽带系的AlxGa1-xAs层。1967-1969年，Hayashi和Panishi先后研制出了单异质 结激光器和双异质结激光器。1970年，Alforow也报道了其研制出的DH激光器实现了 室温连续受激发射。LOGO半导体激光器的特点1.外形极小，芯片尺寸为0.1mm2，一支激光器 也仅1cm2 大小。2.全固体化，而且激光振荡不需反射镜等外部光学系统。4.可方便地用电流调制其工作 状态。5.电-光转换效率高。对激光 器来说，有百分之几到百分 之几十的转换效率已是相当 高的了。6.寿命长，连续工作可达上万 小时以上。3.功耗低，使用电压为1-2V，电流为几十毫安。LOGO主要内容6-5-1 受激辐射及激光的产生条件 1.自发辐射与受激辐射 2.激光的形成条件6-5-2半导体激光器的工作原理6-5-3 激光器对激光材料的要求 1.对Eg的要求 2.对n的要求 3.对发光层厚度的要求 4.对晶格常数的要求6-5-4 半导体激光器的制作及其特性 一、双异质结（DH）激光器的制作 二、DH激光器的特性LOGO6-5-1 受激辐射及激光的产生条件1.自发辐射与受激辐射LOGO6-5-1 受激辐射及激光的产生条件 若有能量为h12=E2-E1的光子与原子作用，处于基态的原子吸收光子能量而进入激发态。激发态是不稳定的高能状态，电子会自动地从高能级跃迁回低能级，并释放出光能，原子也从激发态回到基态。像这种不受外界作用，原子自发地从高能态回到基态引起的光子发射过程称为自发辐射。 当处于激发态的原子受到一个能量也为h12的光子作用时，受激原子立即跃迁到基态，并发射一个能量为h12的光子，这种在光的辐射场的扰动下，受激原子从激发态向基态跃迁而发光的过程称为受激辐射。二者区别： 自发辐射与受激辐射式两种不同的光子发射过程，自发辐射中各原子的跃迁是随机的，所产生的光子虽然具有相同的能量h12，但辐射光的相位和传播方向是各不相同的。受激辐射则不同，它所发射的光辐射的全部特征（频率、相位、偏振状态等）都与入射光完全相同。LOGO2.激光的形成条件6-5-1 受激辐射及激光的产生条件（1）产生粒子数反转分 布（2）产生激光的材料应具有直接跃迁型的能带结构，以及对光具有高效转换功能。（3）要有合适的谐振腔（法布里-珀罗腔）LOGO6-5-1 受激辐射及激光的产生条件激光的特征1.相位一致 在形成激光过程中，在反射镜之间所形成的驻波，由于受激发射，相位一致的光受到放大，因此，输出光也是相干光。2.方向性好 因为仅在光轴方向往返的光才被放大，所以，能够得到沿光轴方向直线传播的、发射角很小的光束。3.单色性好 因为仅仅是有两个能级间之能量差所决定的波长的光才被放大，而且只有在两个反射镜之间形成驻波的光才能振荡，所以，用激光器能够得到单一波长的光。4.强度高，能流密 能流密度是指在单位面积、单位立体角内发射的能量。由于激光的方向性好，发射光的立体角极小，所以能流密度高。LOGO6-5-2半导体激光器的工作原理 以GaAs作为发光区（活化区），其两侧是导电类型不同的Ga1-xAlxAs限制层。（6-27）（6-28） 由于异质结材料的带隙差而形成两个势垒。 异质结处形成了两个折射差。（6-29）（6-30）LOGO6-5-3 激光器对激光材料的要求1.对Eg的要求Eg过小，难于保证粒子数反转分布Eg过大，引起大的晶格失配限制层x=0.3-0.4是比较适宜的。LOGO6-5-3 激光器对激光材料的要求2.对n的要求 n太小，对光的封闭作用差，过大也同样会降低发光效率，折射率差主要取决于限制层中的x值，一般x=0.3-0.4时，所产生的折射率差足以满足将光封闭在发光区内的要求。LOGO6-5-3 激光器对激光材料的要求3.对发光层厚度的要求阈值电流密度和发光层厚度关系如图,所示。阈值电流密度是点亮激光所需要的最小电流。当膜厚小于0.1um时，异质结界面缺陷就多。通常发光层厚度应在0.1-0.3m较为合适。LOGO6-5-3 激光器对激光材料的要求4.对晶格常数的要求 双异质结激光器的PN结是由带隙和折射率不同的两种材料构成的，易于产生晶格缺陷。这些作为注入载流子的非发光中心而使发光效率下降，又会使器件的寿命缩短。因此作为双异质结激光器材料要求采用晶格常数相近的材料为宜。在室温下，GaAs和AlAs的晶格常数分别为0.5653nm和0.5661nm，晶格失配度仅为0.14%，是目前最为理想的双异质结激光器材料。LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性一、双异质结（DH）激光器的制作LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性 二、DH激光器的特性1.电流-光输出特性 半导体激光器的最基本特性是电流-光输出特性，纵轴为激光器一个端面的光输出，光输出功率以阈值电流Ith为极限急剧增大，并形成激光振荡状态。 微分量子效率实际上是电流变化所引起的光输出的变化率，即 =P/I （6-32）LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性a.功率效率 它表征由所加的电能（或电功率）转换为输出的光能（或光功率）的效率。定义： 式中Pex为激光器所发射的光功率，I为工作电流，Vf为激光器p-n结正向压降，Rs为串连电阻（包括半导体材料的电阻和电极的接触电阻）。提高功率效率的关键是要尽可能产生良好的欧姆接触，从而减少Rs。LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性b.内量子效率内量子效率定义为： 如果注入有源区的每一个电子-空穴对都能产生辐射复合，则内量子效率为100%。但由于存在异质结的界面态，有源区中存在的杂质和缺陷所引起的非辐射复合以及在长波长激光器中严重的俄歇复合等因素，使半导体激光器的内量子效率不能达到理想的程度。一般也有70%以上，因而它是有效的电子-光子转化器。LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性c.外量子效率外量子效率定义为：并且有因为hEgeVf 因为在电流IIth时，Pex很小，而IIth时，Pex直线上升，所以ex是I的非线性函数。LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性2.光强分布LOGO6-5-4 半导体激光器的制作及其特性3.频谱特性 在振荡阈值附近，频率为许多分散的波长。这些波长是满足下列振荡条件的波长：（6-33） 将这些波长称为纵向膜，式中n为折射率，N为整数，L为激光器谐振腔的长度。若增加激光器的输出，则在膜稳定的激光器中输出集中于一种纵向膜。一个纵向膜的频谱宽度在几兆赫兹以下。 当增大光输出时，频率中心向长波一侧偏移，激光器的温度随电流增大而升高，从而使发光区材料的Eg减小，导致振荡波长向长波方向移动，其比率约为0.25nm/。LOGOv模式理论 在谐振腔中的驻波都可分解为有限个行波的叠加，腔的尺寸为a,b,l.在腔内平面驻波的波矢分量为kx,ky,kz,分别满足以下驻波条件：xyzabl（1）（2）（3） 波矢的方向余弦（与各坐标轴夹角），即平面行波波面法向方向的方向余弦为：波矢k的大小为：（4）LOGO腔内驻波可写为： m,n,q分别表示驻波在x,y,z方向的波节数-称为模式指标，m,n为横模指标，q为纵模指标。（5）LOGO（5）式的驻波可展开为8个行波的叠加，这些行波的方向，分别由m,n,q表示：(m,n,q), (m,n,-q), (m,-n,q), (m,-n,-q), (-m,n,q), (-m,n,-q), (-m,-n,q), (-m,-n,-q), 具有相同指标m,n不同指标q的各个模式，在腔内传播的方向基本上是一样的。这样的各个模式称为具有不同纵模指标q的模式，简称纵模。m=n=0即沿z轴方向传播的模为轴向纵模。对于q一定，m,n不同的各个模式，称它们为横模 纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，对激光出光效率影响较大。 把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模。LOGO知识点1.何谓自发辐射和受激辐射，二者有何异同。2.半导体激光器产生激光的条件有哪些？为什么？3.从能带结构分析说明GaAs/Ga1-xAlxAs双异质结激光器的工作 原理。4.若制备低阈值电流的GaAs/Ga1-xAlxAs激光器对材料有何要求？5.半导体激光器的频率有何特点？