半导体光电子学第二章第四章.ppt

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1、第二章第二章 异异 质质 结结F前言：半导体同质结 F2.1异质结及其能带图 F2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用 F2.3异质结中的晶格匹配 F2.4 对注入激光器异质结材料的要求F2.5 异质结对载流子的限制F小结第一页，编辑于星期六：十九点 十二分。前言：半导体同质结前言：半导体同质结p-n结结：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，在二者的交界面处就形成了所谓的p-n结。同质结：同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成的结。pn第二页，编辑于星期六：十九点 十二分。突变结：突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结

2、。缓变结：缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。第三页，编辑于星期六：十九点 十二分。空间电荷空间电荷空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场电势差电势差VDNP空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX XP P第四页，编辑于星期六：十九点 十二分。2.1 异质结及其能带图异质结及其能带图异质结：异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数包括Eg，功函数（），电子亲和势（），介电常数（）。同质结：同质结：由两种禁带宽度相同

3、的半导体材料构成的结。由同种材料构成的结。（广义）第五页，编辑于星期六：十九点 十二分。由构成异质结的两种半导体材料的掺杂（或导电）由构成异质结的两种半导体材料的掺杂（或导电）类型，可将异质结分为类型，可将异质结分为:异型异质结：异型异质结：P-n，p-N；同型异质结：同型异质结：n-N，p-P。P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。第六页，编辑于星期六：十九点 十二分。突变结、缓变结突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及厚度的不同，前者有明显的空间电荷区边界，其厚度只有几个晶格常数大小，而后者的空间电荷浓度向体内逐渐变化，其厚度可达几个载流子扩散长度。第七页，编辑于星期六：十九点 十二分

4、。电子亲和势：一个电子从导带底转移到真空能级所需的能量。真空能级：真空中静止电子的能量。功函数：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需能量。能带分析第八页，编辑于星期六：十九点 十二分。作能带图的步骤作能带图的步骤以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能级应相同，而各自的、仍维持原值不变；画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），值在空间电荷区以外保持各自的值不变；真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂

5、浓度决定）；而各自的、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。第九页，编辑于星期六：十九点 十二分。第十页，编辑于星期六：十九点 十二分。1=Ev1-F1，2=Ec2-F2Ec=1-2=（2.1-1）Ev=Ev2-Ev1=（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg-=Eg-Ec Eg=Ec+Ev第十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。eVD=1-2=F1-F2=e（VDp+VDN）由泊松方程 第十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结两边加上正向电压Va后，它在结两边空间电荷区上的压降分别为V1和V

6、2，这时的势垒高度就由原来的eVD降低到e（VD-Va）=e（VDp-V1）+（VDN-V2），只要用（VD-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分别代替VD、VDp、VDN，上面讲的公式仍然成立。第十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。异质结的电流-电压特性 第十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。第十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。第十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、突变同型异质结 第十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。第十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用 一、在半导体激光器中的作用 第二十页，编辑于星期六：十九点 十二分。1

7、.pN异型异质结处在正向电压时，异质结势垒高度降低，N区的电子可以越过势垒和隧穿势垒而注入窄带隙p区，这种异质结有助于载流子从宽带隙区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的势垒也阻碍着空穴由p区向N区的注入。2.同型异质结pP有一个较高的势垒以阻挡注入p区的电子漏出。3.由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此有源区两边的同型和异型异质结都能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。n1n3.第二十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.在实际激光器的结构中，需要生长一层与前一层掺杂类型相同但杂质浓度很高（1020/cm3）的盖帽层（或顶层），这种同型异质结可用

8、来减少与相继的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接触。第二十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、异质结在发光二极管（LED）中的作用 光信息领域中使用的LED和半导体激光器一样，也是采用多层异质结构，其作用同样是载流子限制、光子限制，减少内部损耗。在表面发射LED中，还可以在靠近有源区的表面生长一个能透明的同型异质结，它一方面用来钝化表面，减少注入有源区的载流子与表面态复合而造成损失，提高器件稳定性，另一方面还可以减少器件与空气界面的反射损失，从而增加输出。第二十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。三、异质结在光电二极管探测器中的应用作为光探测器，希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转

9、换效率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。如图2.2-1(a)，异质结由宽带隙Eg1和窄带隙Eg2两种半导体组成，Eg1Eg2，只要入射光子能量hEg1，则光能透过1，透射谱线如图中虚线所示。透过半导体1的光子，如果能量满足hEg2，则它被半导体2吸收，吸收谱线如图中实线。显然，图中阴影部分表示这种结构的光探测器能有效工作的范围，入射光子应满足Eg1hEg2。如图(b)中表示同质结的情况，可见这种结构半导体有效吸收的光子非常有限。第二十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。光子能量透射系数和吸收系数第二十五页

10、，编辑于星期六：十九点 十二分。光子能量透射系数和吸收系数第二十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材73页第2、3题另：1、根据泊松方程推导教材中的（2.1-5），（2.1-6），（2.1-7），根据结电容的定义推导（2.1-9）式。2、什么是异质结？异质结在半导体激光器中有哪些典型作用？3、异质结在发光二极管（LED）中有什么作用？4、在光电二极管探测器中，是如何利用异质结的窗口效应来提高其光谱响应范围的？5、异性异质结的性质是由 决定的，而同性异质结的性质则是由 决定的。第二十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。第三节异质结中的晶格匹配 形成理想的异质结，要求两种半导体材料在晶体

11、结构上应尽量相近或相同，晶格常数应尽量相同，以前的异质结都是由晶体结构相同的半导体材料构成的（如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有闪锌矿结构），近年来由于光电子集成（OEIC-OptoelectronicIntegratedCircuit）技术的迫切需要，并考虑到硅是一种常用来制造微电子学器件且制造与加工工艺均成熟的材料，因此在价格便宜的硅基体上MBE和MOCVD技术生长GaAs而构成异质结的技术正不断发展。第二十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。第二十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。悬挂键悬挂键：晶格在表面的最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子即有一个未饱和键，如

12、图，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能级就是表面态。表面态。一般认为，构成异质结的两种不同半导体之间严格的晶格常数匹配是获取性能良好的异质结的重要条件，否则在异质结表面就会产生所谓的悬挂键。第三十页，编辑于星期六：十九点 十二分。复合中心：能够促进复合过程的杂质和缺陷。晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度失配位错：两种材料晶格常数不相等，界面处形成位错。第三十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。异质结界面上由悬挂键引起的界面态密度与半导体结构和晶面有关，不同晶面上界面态密度不同，在具有面心立方结构的金刚石和闪锌矿晶体中（100）（110）（111）晶面上生长的异质结中所包含悬挂键或界面态密度分

13、别为第三十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第三十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。由于界面态的存在会对从宽带隙向窄带隙半导体的载流子注入与复合产生影响，使非辐射复合速率增加，从而使内量子效率降低。a.越过势垒的空穴在n区内复合，b.越过势垒的空穴与界面态复合，c.隧穿势垒的空穴在n区内复合，d.隧穿势垒的空穴与界面态复合。第三十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。晶格失配率 界面复合速度：第三十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。第三十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。双异质结激光器中若两个异质结之间的距离为d，当体内复合与界面态复合并存时，则注入载流子的有效复合寿命可表示为 内量子效

14、率 内量子效率与晶格失配率成反比。第三十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。实际半导体光电子器件的异质结都是在某一衬底材料上外延生长所形成的，外延层的质量取决于衬底材料本身结晶的完美性，外延层与衬底之间的晶格匹配、外延层的厚度以及合适的生长工艺等多种因素。（弗伽定律）GaAs、InP和InGaAsP第三十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。临界厚度第三十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。一般认为，晶格不匹配的异质结在性能上是不稳定的，但随着MBE（Molecular Beam Epitaxy取向附生）、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition

15、金属有机化学气相沉积）等外延技术的发展，可以生长出原子级薄层，只要外延层小于某一临界厚度（几十nm），则两种材料的晶格失配可由弹性应变的形式来弥补，而不产生影响器件性能的失配位错，利用这种原子层外延技术可以生长所谓应变异质结，有可能在Si上生长GeSi或GaAs外延层，这样将在光电子集成（OEIC-optoelectronic integrated circuit）方面获得广泛的应用。第四十页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材73页第5题另：1、在蓝宝石衬底上生长氮化镓（GaN）产生蓝色的LED和LD已经分别在白光照明和大容量存储中获得应用，然而，这些异构异质外延生长都 来过渡晶格常数

16、大的差异来缓减晶格适配的影响。2、什么是悬挂键？悬挂键的存在对半导体激光器有什么危害？3、通常来说，为什么在（111）面上生长异质结是比较理想的？4、以图2.3-1所示的nP结为例说明在实际的异质结中可能存在的几种复合过程。5、InGaAsP外延层和InP衬底之间可以实现理想的晶格匹配，为什么在超出一定厚度后仍会出现位错？这一厚度被称为？第四十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。2.4对激光器异质结材料的要求 一、直接带隙，从激射波长出发来选择半导体激光器材料对Ga1-xAlxAs，其禁带宽度可表示为 第四十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。在x0.37时，Ga1-xAlxAs中的电子将由直

17、接带隙变为间接带隙跃迁，因此不能用GaAlAs作有源材料制作发射波长0.65m的激光器。第四十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。为了限制注入有源区的载流子，应使有源层与相邻的限制层之间存在0.250.4eV的带隙台阶Eg，如取Eg=0.3eV，当有源层AlAs组分为018%（对于波长0.870.75m），则限制层中的AlAs含量应为2025%。四元化合物用弗伽定律表示带隙，GaInAsP：第四十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。选择材料时，还应考虑到掺杂和注入的载流子浓度对带隙大小产生的影响，相应造成激射波长的漂移。在半导体中，掺杂浓度与注入载流子浓度之间满足电中性条件：由式中可见，掺杂或

18、载流子注入会引起带隙收缩，即半导体激光器的激射波长红移 第四十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、从晶格匹配来考虑异质结激光器材料第四十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。三、由异质结的光波导效应来选择半导体激光器材料3-7%n=3.590-0.710 x+0.091x2第四十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。第四十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。在半导体中掺杂浓度、注入载流子浓度和温度都对折射率产生影响，图2.4-8表示掺杂对GaAs折射率的影响，折射率随掺杂浓度的增高而降低会减弱有源区的光波导效应，在开始同质结中人们用这种掺杂来达到粒子数反转条件，现在异质结不用了，有源区是本征的

19、了。第四十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。第五十页，编辑于星期六：十九点 十二分。综上选择折射率受能量、掺杂、注入载流子、温度等多种因素影响，为了获得合理的折射率台阶要多方考虑，这样才能提高半导体激光器的性能。第五十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。四、衬底材料的考虑 1.衬底应该与在其上外延生长的材料有很好的晶格匹配，要求晶格常数尽量相同，二者要求有尽可能多的相同原子构成。2.衬底本身的位错密度应尽可能小，有尽可能少的晶格缺陷。3.衬底与在其上所要形成的外延层在生长工艺上的相容性，在生长条件下材料与衬底之间应有尽可能小的互作用，不造成彼此之间的分解。另外，选择合适的衬底晶面生长，即择优

20、取向生长是很重要的。第五十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业作业:教材教材73页第页第7题题另：另：1、半导体激光器对异质结的基本要求有哪些？、半导体激光器对异质结的基本要求有哪些？2、写写出出GaAs半半导导体体：带带隙隙与与载载流流子子的的浓浓度度关关系系式式。并并以以此此分分析析说说明明在在GaAs半导体中载流子浓度的增加会导致一些什么样的现象发生。半导体中载流子浓度的增加会导致一些什么样的现象发生。3、根根据据图图2.4.2，分分析析为为什什么么可可以以以以GaAs为为衬衬底底生生长长得得到到的的AlGaAs/GaAs激激光器？但是为什么目前用光器？但是为什么目前用AlGaAs/

21、GaAs还不能很好的用来制造可见光激光器？还不能很好的用来制造可见光激光器？4、对对于于异异质质结结激激光光器器，一一般般希希望望有有源源区区和和限限制制层层的的相相对对折折射射率率在在一一个个什什么么样样的的范范围之内？哪边的折射率相对要高一些？围之内？哪边的折射率相对要高一些？5、在在半半导导体体中中，哪哪些些因因素素对对材材料料的的折折射射率率有有影影响响？其其中中注注入入载载流流子子浓浓度度是是如如何何影影响响材材料的折射率的？料的折射率的？6、对于多层结构的、对于多层结构的LD，LED以及其他光电子器件，对衬底的要求有哪些？以及其他光电子器件，对衬底的要求有哪些？第五十三页，编辑于星

22、期六：十九点 十二分。2.5 异质结对载流子的限制异质结对载流子的限制 异质结限制载流子的能力与势垒高度、结温度等因素有关，由于受到晶格匹配的限制，不可能无限地增加势垒高度，从载流子能量统计分布的特点来看，部分载流子不可避免地越过势垒而泄漏，漏出的载流子以非辐射复合释放能量，将恶化器件的性能，下面分析异质结对载流子的限制。第五十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。一、异质结势垒对电子和空穴的限制 e（VD-Va）和 第五十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。以GaAs为例定量说明异质结对载流子的限制能力，求出漏出有源区的载流子浓度.在GaAs有源区内产生粒子数反转需要注入的载流子浓度约为(1-

23、1.3)1018/cm3，为达到阈值需要注入的总电子浓度约为21018/cm3，所注入的载流子绝大部分处在直接带隙的“”能谷中第五十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。各能谷中电子浓度表达式第五十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。Fc-Ec=0.079eV 第五十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。第五十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。同样方法，将式（2.5-3）的积分下限改为Ec，将E=0.284eV带入该式，就可求出“L”能谷中不受势垒Ec限制而漏出的电子浓度。谷E=Eg=0.476eV，大于0.318eV，所在“”导带能谷中的电子n全部漏出。由式（3.5-4）可求出泄漏电子浓度n=

24、n，总的漏电子是三者之和，它们成为恶化器件性能的漏电流。考虑pN异质结对空穴的限制时，势垒为e(VD-Va)+Ev决定，其余方法相同。第六十页，编辑于星期六：十九点 十二分。超注入现象超注入现象:第六十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、由泄漏载流子引起的漏电流 第六十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第六十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。第六十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。泄漏无疑减少了有源区中可用来产生辐射复合的载流子，使内量子效率降低，阈值电流密度提高，结温升高，温度稳定性差。三、载流子泄漏对半导体激光器的影响第六十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材73页第9

25、、10题另：1、对于有源层很薄的NpP型GaAlAs/GaAs异质结激光器中，加上正向偏压后，电子和空穴的势垒高度分别受到哪些因素影响？2、什么是“超注入”，这种现象对双异质结半导体激光器有什么意义？3、写出图2.5-4中各电流的含义。并给出电子流的一维连续性方程，并写出其中各参数的含义。4、载流子泄漏对半导体激光器有什么影响？第六十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。第四章异质结半导体激光器 4.1 概述4.2 光子在谐振腔内的振荡4.3 在同质结基础上发展的异质结激光器4.4 条形半导体激光器4.5 条形半导体激光器中的增益波导4.6 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）4.7 分布反馈（D

26、FB）半导体激光器第六十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.1 概述一台激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成 工作物质激励源光学谐振腔根据工作物质不同有气体、固体、染料、半导体、化学等种类的激光器。第六十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。第六十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。对于半导体激光器也是由这三部分组成的。工作物质也叫有源区；谐振腔是晶体的自然解理面，泵浦源是电源。第七十页，编辑于星期六：十九点 十二分。与其它激光器不同的是，半导体激光器具有层状结构,其作用相当于固体激光器的聚光腔，半导体激光器的谐振腔不是由外加反射镜构成，而是利用半导体本身的晶体解理面形成内反射

27、腔，这使得半导体激光器结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性，半导体激光器的电源简单，电流电压都很小，工作使用很方便、安全，优点。第七十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。1962年同质结LD，Jth达到104A/cm2量级，液氮下脉冲工作，毫无使用价值。1967年LPE生长出GaAlAs-GaAs异质结并很快研制出单异质结LD，Jth达到8.6103A/cm2，下降一个数量级，从而实现了室温下脉冲工作，1970年，双异质结Jth量级又下降一个，实现连续室温工作，迅速在光纤通信、光信息处理领域广泛应用。第七十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第七十三页，编辑于星期六：十九点 十二

28、分。作业:1、激光器的基本结构由哪几部分组成？半导体激光器的谐振腔有什么突出特点？2、半导体激光器的结构从1962年问世到1970年开始利用，经历了哪3个阶段？量子阱材料的半导体激光器有什么特点？3、从20世纪70年代中期开始相继出现了一些不同结构特定、高频响应特性好、热稳定性好的单纵模激光器，举例进行说明。第七十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。L输入端输出端t1Eit1Eiexp(-jL)t1t2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-jL)t1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j2L)t1r1r2Eiexp(-j3L)部分反射端面1部分反射端面2图4.2-1光子在平

29、行腔内增益介质中振荡的示意图4.2 光子在谐振腔内的振荡 第七十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。第七十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。r1r2Eiexp(-2jL)=Ei r1r2 exp(-2jL)=1 第七十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。=i-g，g是增益系数,i为介质的内部损耗系数,阈值振幅条件相位条件第七十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。物理意义？第七十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。纵模第八十页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:1、什么是半导体激光器的阈值条件?它对谐振腔内光子有什么要求？2、推导光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。3、如何降低激

30、光器的阈值增益。激光器的纵模间隔是多少？第八十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.3 在同质结基础上发展的异质结激光器在同质结基础上发展的异质结激光器 一、同质结激光器n+-GaaAsp+-GaaAs第八十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。同质结遇到的困难是，阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化，电子扩散长度增加 光波导效应 P型GaAs容易吸收光子 第八十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。将注入载流子有效地限制在比电子扩散长度小得多的区域内产生受激发射；将产生的光子在垂直于结平面方向上限制，使光子在谐振腔内振荡放大.第八十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、单异质结半导体激光器

31、 第八十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。第八十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。三、双异质结激光器 第八十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。第八十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。对半导体LD的研究主要集中在：寿命增加，稳定性，可靠性，性能退化和失效机理，这主要是研究各种条形LD，降低Jth，Ith；工 作 波 长 范 围 扩 大。最 开 始AlGaAs-GaAs的=0.85m，为适应光纤通信发展，需研制对应光纤更 低 损 耗 窗 口 的 波 长，研 制 了1.1-1.7m InGaAsP/InP激光器，为适应光盘等信息存储技术的发展，发射可见光的半导体激光器被研究；压缩半导体激光器

32、的线宽和在高速调制下的单模工作（即动态单纵模）；提高半导体激光器的输出功率和输出光束的相干性，使光子从信息领域扩展到以光为能量载体的材料加工领域。第八十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材138页第1题另：1、描述单异质结半导体激光器的结构。解释说明其相对于同质结的优越性。并说明其缺点。2、描述双异质结半导体激光器的结构。并简要说明其优点。3、画出双异质结N-GaAlAs/p-GaAs/P-GaAlAs双异质结激光器在垂直于结平面方向的能带图，折射率分布和光强分布图。3、目前对半导体LD的研究主要集中在哪些方面？第九十页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.4 条形半导体激光器条形半导

33、体激光器 第九十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。异质结LD的进一步研究发现，仅仅在垂直于结平面方向（横向）对有源区的载流子和光子进行限制的宽面异质结LD有许多不足之处。侧向（平行于结平面）具有许多模式，近场分布呈现出所谓多“光光丝丝”，而且随着注入电流的增加，这些光丝的空间分布将发生变化，第九十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。在很多应用中要求LD有很好的横模横模（包括侧模）括侧模）特性。一些应用中，要求有尽可能圆对称的远场光斑远场光斑.可行的途径是在LD有源层的侧向也对其内部的载流子和光子施行限制。形成所谓条形LD，条形LD是LD实现室温工作后一个重要的发展里程发展里程碑碑。第九十三页

34、，编辑于星期六：十九点 十二分。第九十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。一、条形半导体激光器的优点 由于有源区侧向尺寸减小，光场对称性增加，因而能提高光源与光纤的耦合效率；因为在侧向对电子和光场有限制，有利于减少激光器的阈值电流和工作电流，有利于提高电-光转换效率。例如掩埋条形LD，Ith可达5mA以下，Pout达10mW以上；在这种结构中，由于工作时产生热量的有源层被掩埋在导热性能良好的无源晶体之中，因而减少了激光器的热阻，有利于热散失，提高激光器的热稳定性；由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源区，提高材料均匀性，同时除用作谐振腔的解理面外，整个有源区与外界隔离，有利于提高

35、器件的稳定性与可靠性；有利于改善侧向模式。第九十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、条形激光器的种类 按它们在侧向的波导机构，可分为两类，即增益波导与折射率波导。增益波导是利用载流子密度在有源层侧向的非均匀分布，而使有源层中心部分的增益（或复介电常数的虚部）高于其两侧，形成所谓的“增益波导”。侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射率差来实现的。按有效折射率变化的大小而产生波导作用的强弱来分，有弱折射率波导和强折射率波导LD之分 第九十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。增益波导增益波导LD：氧化物条形扩散条形质子轰击条形横结条形第九十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。N-InP In

36、GaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP 氧化物条形第九十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。第九十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。质子轰击条形第一百页，编辑于星期六：十九点 十二分。扩散条形第一百零一页，编辑于星期六：十九点 十二分。横结条形第一百零二页，编辑于星期六：十九点 十二分。弱折射率波导 第一百零三页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百零四页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百零五页，编辑于星期六：十九点 十二分。强折射率波导激光器 1.腐蚀台面掩埋异质结LD 2.双沟平面掩埋异质结构LD 3.V槽或沟道衬底掩埋异质结构LD 4.台面衬底掩埋异质结构LD 第一

37、百零六页，编辑于星期六：十九点 十二分。N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 腐蚀台面掩埋异质结LD 第一百零七页，编辑于星期六：十九点 十二分。N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 第一百零八页，编辑于星期六：十九点 十二分。N-InP InGaAsP P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP P-InP N-InP N-InP 热沉第一百零九页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百一十页，编辑于星期六：十九点 十二

38、分。2.双沟平面掩埋异质结构LD 第一百一十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百一十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百一十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。P-InP p-InGaAsP n-InP P-InP N-InP InGaAsP V槽或沟道衬底掩埋异质结构LD 第一百一十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百一十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百一十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。三、条形三、条形LD中的中的侧向电流扩展侧向电流扩展和和侧向载流子扩散侧向载流子扩散 第一百一十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。N-InP InGaAsP P-InP p

39、-InGaAsP n-InP 第一百一十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。侧向电流扩展和侧向载流子扩散 第一百一十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百二十页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百二十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百二十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百二十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。假设：有源层厚度沿y方向不变；不考虑俄歇复合；忽略异质结界面影响电流在阈值以下。第一百二十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。有效限制载流子侧向扩散的方法有：1.由于注入载流子浓度正比于注入电流，因而限制电流，氧注入好于质子轰击；2.pn结横向限制和垂直于结一样，多

40、子限制少子注入3.横向用异质结.第一百二十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。横向用异质结横向用异质结第一百二十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材138页第2,3题另：1、条形激光器按它们在侧向的波导机构可以分为那两类？有什么区别？第一百二十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.5 条形激光器中的增益波导条形激光器中的增益波导 条形LD的侧向光波导性质，可以分成折射率波导与增益波导，增益波导LD没有内部的侧向材料折射率差来导引光波，唯一的侧向变化是由注入电流的侧向扩展和载流子的侧向扩散所决定的载流子浓度在有源层内分布。即在电极接触条下方的有源层中心区域有最高的载流子浓度，而向两侧

41、逐渐减少，因而受激辐射复合速率和增益也有类似的变化，把这一物理事实称为“增益波导”。增益波导在LD和LED中对光场的限制是被动的，光场在纵向传播过程中会发生侧向扩展，因此增益波导相对于折射率波导是一种弱波导，有源层内产生的功率将在光场的振荡过程中产生较大的泄漏损耗。第一百二十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。与载流子分布有关的波导效应还有，反反波波导导和和自自聚聚焦焦效效应应，由于自由载流子与光场（频率为）的互作用所产生的等离子体效应，以及载流子在能带之间跃迁与注入载流子的互作用使折射率减少，这使得有源层的折射率相对于增益在侧向产生一个反分布（反波导）其结果是对光束产生散焦，增加光场的泄漏损

42、耗，称反波导效应，自聚焦效应，即在强的受激发射下，可能在有源层的中心区由于载流子的大量消耗而出现载流子分布的空间“烧洞”（凹陷），使得中心部分的折射率高于其两侧区域的折射率，结果是光场能量向中心会聚。由于增益波导中有上述一些复杂的过程，分析比折射率复杂得多第一百二十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。增益波导分析第一百三十页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。光强分布的半功率点或高斯光束的有效宽度 第一百三十五页，编

43、辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。增益波导增益波导LD中的象散、中的象散、K因子因子 输出光束是象散的，这就是说，如果用球透镜对解理腔面成像，则虚腰的象面处在与腔面的象平面不同的地方，这种象散使激光输出的远场分布出现“兔耳状”，模式增多，光谱线宽加宽和对输出光束的聚焦光学系统的设计带来困难等。像散因子，K因子：第一百三十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百三十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。综合考虑载流子波导中几种效应的影响，我们引入反波导因子b第一百三十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材138页第4、5题另：1、什么反波导效应和自

44、聚焦效应，分别说明他们对光场有什么影响？2、什么是虚腰？写出像散因子的表达式，并说明其物理意义。什么是反波导因子。第一百四十页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.6 垂直腔表面发射激光器（垂直腔表面发射激光器（VCSEL）一、VCSEL同FP腔激光器相比，有哪些不同?1、VCSEL：激光从表面输出2、VCSEL:谐振腔由DBR构成二、从解理端面输出的半导体激光器，有哪些不足？1、解理面的反射率2、非圆光斑3、动态单纵模4、集成5、解理面损伤三、VCSEL如何克服上述不足四、VCSEL本身存在哪些不足，如何克服 第一百四十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。VCSEL基本结构1、基本构成2、谐振

45、腔的特殊3、空间层的作用4、空间层对激光透明1、驻波条件，阈值振幅条件2、相位条件第一百四十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。布拉格反射器（DBR）Distributed Bragg Reflection 1、DBR的构成2、原理：耦合波理论第一百四十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百四十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材138页第8题另：1、简单的VCSEL由哪些功能层构成？其谐振腔同FP腔有何不同？空间层有什么特殊要求？2、VCSEL的DBR的结构是怎样的？第一百四十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。4.7 分布反馈（分布反馈（DFB：distributed fee

46、d back）LD 一、DFB-LD的特点、原理 1.前面讲的LD原理和结构时，都是与具有集中和恒定的光场反射系数r（或者功率反射系数R）的谐振腔面相联系的光子在有源区两端的腔面之间振荡和放大，与集中反馈不同，要讲的是分布反馈方式，来使光子振荡和产生增益。第一百四十六页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百四十七页，编辑于星期六：十九点 十二分。二、DFB-LD的结构波纹光栅第一百四十八页，编辑于星期六：十九点 十二分。在长距离、大容量光纤通信中，需要光谱线宽很窄，在动态（或高速调制）下仍能单纵模工作的LD为光源，有效的单纵模窄线宽的方法是对有源区中传播的振荡模式进行选择反馈，常用的色散元件是

47、光栅，所谓的分布反馈光栅是在制造LD的过程中直接在LD波导层上形成，如果LD的内光栅是在有源层内的波导层上，则常称之为分布反馈LD，而如果LD这种内光栅是在有源层两端外的波导层上形成，称为分布布拉格反射LD，所有这些光栅对光场的反射都需要满足布拉格条件 三、DFB-LD的性能四、折射率耦合DFB和增益耦合DFB 分析方法：耦合波方程第一百四十九页，编辑于星期六：十九点 十二分。耦合系数：表示相向传播的两个波之间耦合强弱的物理量。第一百五十页，编辑于星期六：十九点 十二分。1、振荡谱特点2、阈值增益特点第一百五十一页，编辑于星期六：十九点 十二分。第一百五十二页，编辑于星期六：十九点 十二分。1.在均匀分布的周期折射率光栅区引进一个 相移2.不对称的腔面反射镜；3.一个距腔面处作成透明区；4.光栅周期适当啁啾。如何在DFB激光器中实现单模震荡？第一百五十三页，编辑于星期六：十九点 十二分。增益耦合DFB第一百五十四页，编辑于星期六：十九点 十二分。作业:教材138页第9、11题另：1、目前，实现DFB激光器的单模激射有哪些具体的手段？这些手段有什么共同特点？2、名词解释：折射率耦合DFB、增益耦合DFB。第一百五十五页，编辑于星期六：十九点 十二分。