第20卷第7期半 导 体 学 报V o l.20,N o.7
1999年7月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Ju ly,1999 Si?-掺杂I n0.2Ga0.8A s GaA s应变
单量子阱光致发光研究3
窦红飞 陈效双 陆 卫 李志锋 沈学础
(中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室 上海 200083)
G.L i,C.Jagadish
(D epartm ent of E lectronic M aterials of Engineerings,R esearch Schoo l of Physical Science and Engineering,
Institute of A dvanced Studies,A ustralian N ati onal U niversity,Canberra,A ct0200,A ustralia)
摘要 研究了单层Si分别?2掺杂于In0.2Ga0.8A s GaA s单量子阱系统中的单边势垒与双边势垒
的光致发光谱,并与未掺杂样品相比较,发现掺杂样品的发光峰红移,其中单边势垒掺杂样品红
移约4m eV,双边势垒掺杂样品红移的量更多约12m eV.本文用杂质散射与空穴空间局域化来
解释掺杂样品的发光半峰宽较本征样品大很多.用有效质量方法计算3个样品的光致发光能
量,并用电子相关交换势解释掺杂样品发光红移的现象.
PACC:7340L,7855
1 引言
大多数Si?2掺杂工作都集中在晶格匹配的GaA l A s GaA s的量子阱系统[1,2],并在其基本物理性质和实际应用中得到了一些实验结果,如费米面奇异性[3],多体效应[4],高速器件的应用等[5].而InGaA s GaA s应变量子阱系统中较小的电子有效质量、较大的导带不连续性和由于应变而引起的能带可调性,使得Si?2掺杂InGaA s GaA s系统成为高速电子器件的一个研究热点[6].近年来,人们将Si掺杂于InGaA s GaA s系统中不同的位置,用以优化器件的结构[7～9].这种不同位置的掺杂,改变了系统能级结构及其载流子的分布,影响着电子的传输与光谱特性.Jagadish小组研究了这种不同位置Si?2掺杂样品的磁输运性质[10].他们发现,双边掺杂样品的电子密度比单边掺杂样品高2倍,这将影响掺杂样品的光致发光谱.
光致发光方法是研究超晶格、量子阱导带与价带子带跃迁最常用的方法,从其半峰宽可以判断材料的质量,从其峰位与强度可以研究势阱之间的相互耦合、能级的变化及电子与空
3本项目得到国家自然科学基金(N o.109525409和N o.69676014)的资助,同时也得到上海市启明星计划的资助窦红飞 女,1970年出生,博士生,专业方向:半导体光学性质
1998203212收到,1998205224定稿
穴波函数之间的交迭强度.
因为电子与空穴在空间上的分离,关于单层?掺杂样品的光致发光报道较少.本文利用光致发光谱研究了In0.2Ga0.8A s GaA s量子阱系统的发光峰能量与Si?2掺杂的位置的关系,发现Si?2掺杂于单边势垒,其光致发光峰位相对于未掺杂样品红移4m eV,而双边势垒Si?2掺杂样品的光致发光峰位红移为12m eV,用V形势阱与In0.2Ga0.8A s方形势阱不同电子态相互作用机制对其半峰宽及强度进行了讨论.
2 实验
In0.2Ga0.8A s GaA s单量子阱系统在630℃下采用低压(～105Pa)M OV PE(M etalo rgan
2
图1 Si?2掺杂In0.2Ga0.8A s单量子阱结构示意图其中箭头表示掺杂位置,(A)为单边势垒掺杂,(B)为双边势垒掺杂.ic V apo r Phase Ep itaxy)方法,以TM Ga、Tm In和A sH3为生长源,掺杂源是H2稀释的500ppm的Si H4,以(100)向(110)偏离2°方向的GaA s为衬底生长In0.2Ga0.8A s GaA s,GaA s的生长速度是2Λm h,In0.2 Ga0.8A s生长速度为112Λm h.具体样品结构及Si?2掺杂位置如图(1),其中(A)为Si ?2掺杂于单边GaA s势垒层中,(B)为掺杂于双边GaA s势垒层中.掺杂层距离In0.2 Ga0.8A s界面都是10nm,掺杂面密度为415×1012c m-2,半宽度约为5nm.
光致发光谱以A r+激光器的488nm谱线为激发光源,用N ico let800型傅里叶红外光谱仪测量样品的发光,分辨率为4c m-1,探测器为液氮冷却下的InSb探测器,测量温度为77K .
图2 In0.2Ga0.8A s GaA s未掺杂样品与掺杂
样品(A)(B)的光致发光光谱
3 实验结果及讨论
图2是未掺杂样品与掺杂样品(A)、
(B)77K下的光致发光谱.未掺杂样品的发
光峰是In0.2Ga0.8A s单量子阱中第一重空穴
到第一电子子带的跃迁.掺杂样品(A)、(B)
的发光峰是被Si?2掺杂调制后的势阱中第
一电子子带到重空穴的跃迁,单边垒掺杂峰
位红移4m eV,双边垒掺杂红移约12m eV.
比较三种样品的半峰宽,本征样品在
77K下为11m eV,则样品的质量较好,辐射
复合较强.当掺杂之后,掺杂样品的半峰宽
475半 导 体 学 报20卷
明显增大,77K 下样品(A )的半峰宽为42m eV ,样品(B )的半峰宽为44m eV .我们知道,在
77K 下,电子在费米面附近的分布并不象温度为0K 时那样的陡峭,在费米面附近几个kT 范围内分布的电子都可以与光生空穴复合而产生荧光,因此对于三种样品都有热激发而产生的发光半峰宽.对于掺杂样品发光谱线宽展宽,主要是二维电子气与杂质(离化施主)的散射作用增强,而且随着电子的面密度的增加,这种散射作用增强,因此在实验中观察到样品(B )的半峰宽比样品(A )的要宽.另外,由于掺杂导致In 0.2Ga 0.8A s 势阱中组分不均匀,实空间中空穴局域化,则其能量在k 空间上扩展,和电子复合保持动量守恒的能量范围拓宽,那么样品的发光谱将展宽.
图3 In 0.2Ga 0.8A s GaA s 单量子阱系统第一电子、
空穴能级及波函数的理论结果
(a )单边势垒掺杂样品的势分布与能级结构、波函数,(b )双边势
垒掺杂样品的势分布与能级结构波函数.
?2掺杂层中,施主中心部分被电子屏蔽,则以掺杂中心形成V 形势阱[11]
.当没有量子阱而只有单层?2掺杂的情况下,在V 形势阱中形成浓度很高的二维电子气,在价带中却形成空穴的V 形势垒,这样空穴与电子在空间上分离,实验中不易观察到荧光.In 0.2Ga 0.8A s GaA s 单量子阱系统中单层Si ?2掺杂于GaA s 势垒中,由于方形势阱的存在,V 形势阱与In 0.2Ga 0.8A s 方形势阱电子态相互耦合,电子与空穴的波函数仍然局域在In 0.2Ga 0.8A s 阱中,与GaA s 中单层?2掺杂不同,这里空穴与电子的波函数交迭增大,因此在实验中观察到较强的光致发光现象.
我们采用有效质量方法分别计算电子与空穴的能级结构.计算中In 0.2Ga 0.8A s GaA s 单量子阱系统取导带不连续因子Q c =0169,同时考虑由于应变而引起的能量移动,具体参数见文献[12],?2掺杂产生V 形势阱[11],单边、双边势垒掺杂样品形成的势分布如图3所示.并将计算得到的能级位置和波函数表示在图3中.
In 0.2Ga 0.8A s GaA s ?2掺杂之后,电
子扩散到阱中,In 0.2Ga 0.8A s 势阱相对于GaA s 势垒降低,则电子波函数更加局域,相对于势阱底电子能级提高,电子到空穴的复合能量将增大.电子密度增加,电子填充效应使In 0.2Ga 0.8A s 阱中的费米面提高,则费米面附近的电子到空穴的光跃迁能量增大.同时,阱中的
5
757期窦红飞等: Si ?2掺杂In 0.2Ga 0.8A s GaA s 应变单量子阱光致发光研究
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电子浓度增大,其所产生的电子相关交换势随之增大,那么电子能级将会降低,掺杂样品的光致发光能量将比理论值降低[13],表示为:
hΜ=E-E exch(1)其中 E为用有效质量方法计算得到的电子到空穴的跃迁能量值;E exch为由于相关交换势的存在而降低的能量.
单边势垒掺杂样品的势分布及计算结果如图3(a)所示,E为11341eV.而阱中电子浓度为112×1012c m-2[10],由于电子相关交换势存在而降低的能量为18m eV[13],按照(1)式,其光致发光能量为11323eV,并将这一结果列入表1中,可以看出与实验符合得很好.
对于双边势垒掺杂的样品,?2掺杂形成的两个V形势阱与In0.2Ga0.8A s方形势阱发生耦合,形成势分布如图3(b),计算所得到的第一电子到空穴的跃迁能量为11334eV.双边势垒掺杂之后,In0.2Ga0.8A s阱中电子浓度约是单边势垒掺杂样品的2倍,其电子浓度约为211×1012c m-2[10],电子相关交换势的将增大,E exch为22m eV[13],按照(1)式,双边势垒掺杂样品的光致发光能量为11312eV,将此结果列入表中,与实验中所观察到的PL峰值符合.
表1 本征样品与掺杂样品(A)(B)第一电子能级到空穴的跃迁能量理论结果与光致发光实验结果样 品理论值 eV实验值 eV In0.2Ga0.8A s GaA s单量子阱1.3331.328
单边势垒掺杂(A)1.3231.324
双边势垒掺杂(B)1.3121.316
4 结论
我们观察到Si单层分别?2掺杂于In0.2Ga0.8A s GaA s单量子阱系统中的单边势垒与双边势垒样品的光致发光现象,它们相对于本征样品都发生了红移.本文用有效质量方法计算了未掺杂样品、单边、双边势垒掺杂样品的第一电子到空穴的跃迁能量.其中在掺杂样品中, In0.2Ga0.8A s阱中由于电子浓度的增加,电子相关交换势增大,光致发光能量降低,其结果与实验现象一致.更进一步的定量比较,自洽计算的方法正在进行之中.
参考文献
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Photolu m i nescence of Selectively Si ?-D oped
I n 0.2Ga 0.8A s Heterostruture a t 77K
Dou Hongfei ,Chen X iao shuang ,L u W ei ,L i Zh ifeng ,Shen Xuechu
(N ational L aboratory f or Inf rared P hy sics ,S hang hai Institu te of T echnical P hy sics ,
T he Ch inese A cad e my of S ciences ,S hang hai 200083)
G .L i ,C .Jagadish
(D ep art m ent of E lectronic M aterials E ng ineering ,R esearch S chool of P hy sical S cience and E ng ineering ,
Institu te of A d vanced S tud ies ,A ustralian N ational U niversity ,Canberra ,A CT 0200,A ustralia )
R eceived 12M arch 1998,revised m anuscri p t received 24M ay 1998
Abstract T he p ho to lum inescence of selectively Si ?2dop ing configu rati on in p seudom o r 2p h ic In 0.2Ga 0.8A s GaA s hetero structu res grow n by m etalo rgan ic vapo r p hase ep itaxy has been investigated at 77K .T he PL p eak of the sam p le of Si ?2dop ed in the one barrier (sam 2p le A )red 2sh ifts 4m eV ,the PL p eak of the sam p le of Si ?2dop ed in bo th barriers (sam p le
B )red sh ifts 12m eV w ith resp ect to that of the undop ed In 0.2Ga 0.8A s GaA s .T he FW HM of the dop ed sam p les are determ ined by scattering electron s and dop an ts and by the loca 2ti on of the ho les
.B ased on the coup ling betw een the V 2groove w ell and the In 0.2Ga 0.8A s w ell ,the electron ic structu res of the sam p les are calcu lated by the effective m ass theo ry .A nd w ith the electron s exchange po ten ti on ,w e find that the resu lts are in agreem en t w ith ou r PL m easu rem en ts .PACC :7340L ,7855
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757期窦红飞等: Si ?2掺杂In 0.2Ga 0.8A s GaA s 应变单量子阱光致发光研究
异质结发展现状及原理 pn结是组成集成电路的主要细胞。50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。pn结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。掺杂类型不同的称为“异型异质结”。另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。 1 异质结器件的发展过程 pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。 1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。 1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。 1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结,比同质结具有更高的注入效率。 1962年,Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。 1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对． 在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态 和其他元激发过程以及它们之间 的相互作用，与三维体状材料中的 情况有很大差别。在具有二维自由 度的量子阱中，电子和空穴的态密 度与能量的关系为台阶形状。而不 是象三维体材料那样的抛物线形 状[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
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量子阱及量子阱半导体激光器简述 陈卓 （上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。[4] 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 二、量子阱的结构与特性 1、态密度、量子尺寸效应与能带 量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。
有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告 xxx （xxxxxxxxxxxxxxx） 摘要：异质结半导体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。 关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦 About double heterostructure lasers andreport on the basis of quantum well laser xxx (xxxx) Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development. Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers; Quantum well laser; pump 0 引言 双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料供我们查看和研究，这些惊人的成就给我的生活带来的巨大的改变，我们作为新一代的基础人员，有义务去发展，将这些激光器的研究壮大和深入。 1 双异质结基本结构 双异质结基本结构是将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm的半导体激光器在室温下能连续工作。图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注进有源区。它们在该区的扩散又分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。同时，窄带隙具有源区有高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。 异质结激光器激光器的供应商是半导体半导体的供应商激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤光纤的供应商通信及网络技术成为现实并迅速发
量子阱半导体激光器的原理及应用 刘欣卓（06009406） （东南大学电子科学与工程学院南京 210096） 光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏 置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。 关键词：光电调制器；模拟偏置法；误差 High-speed Optical Modulator Bias Control LIU XinZhuo 2) (06009406) (1)Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096 Abstract: The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control is a proportional integral part of the output of the modulator bias. Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error 作者的个人学术信息： 刘欣卓，1991年，女，南京市。大学本科，电 子科学与工程学院。liuxinzhuo@https://www.doczj.com/doc/dd17372554.html,. 1.量子阱半导体激光器的发展历程 1.1激光器研制的现状 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。 为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。 1. 2半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。 半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用 无研01 王增美（025310） 摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。 引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 量子阱和应变量子阱半导体激光器的基本原理 1、半导体超晶格 半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，薄层的厚度与半导体中电子的德布罗意波长（约为10nm ）或电子平均自由程（约为50nm ）有相同量级。这种思想是在1968年Bell 实验室的江崎（Esaki ）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs 半导体上制成了超晶格结构。江崎等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２： 2、 量子阱及量子阱材料的能带结构 图1
量子阱半导体激光器 ：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但 这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光 器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围 广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、 应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光 器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料 后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电 子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完
全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变 化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力， 其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器 (DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、 寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔 结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
第34卷第5期 人 工 晶 体 学 报 V o.l34 N o.5 2005年10月 J OURNAL O F S YNTHET IC CRY STALS O ctobe r,2005 基于A lIn GaAs P材料的应变平衡量子阱太阳能电池 孙 强1,2,许 军1,陈文浚1,娄朝刚3 (1.南开大学信息技术科学学院,天津300071; 2.中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300381; 3.东南大学电子工程系,南京210096) 摘要:近年来,基于晶格匹配的多结太阳能电池光电转换效率已经接近30%[1,2],中国电子科技集团公司第十八研究所三结G aInP/G aA s/G e电池技术已经达到小批量生产水平。为了进一步提高多结太阳电池的转换效率,可以采用增加p n结的数量和优化三结电池子电池带宽组合等办法,但上述途径受到材料晶格匹配的限制,目前同时实现晶格匹配和最佳带宽的材料生长还存在一些问题。为此,我们采用与多结电池技术兼容的设备和材料,开展了基于A lIn G aA sP材料的应变平衡量子阱太阳能电池的研究。本文给出G aA s单结量子阱电池的实验过程及结果,证实了量子阱结构的引入确实能够提高电池的输出电流。随着研究的深入,我们希望用此结构作为中间电池,以提高三结电池的效率。 关键词:量子阱;太阳能电池;M OCVD;外延 中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:1000 985X(2005)05 0911 04 Strai n Balanced Quantu m W ell Sol ar Cells Based on A lIn Ga A sP M aterial SU N Q iang1,2,XU Jun1,C HEN W en jun1,LOU Chao gang3 (1.Coll ege of Infor mati on T echn i calS ci en ce,Nanka iU n i vers it y,T i an ji n300071,C h i na; 2.The18t h Research In stit u te of Ch i na E l ectron i cs Technol ogy G roup C orporati on,T i an ji ng300381,Ch i na; 3.Depart m en t of E lectron ic Engi n eeri ng,Sou t heast Un i versit y,Nan ji ng210096,Ch i n a) (R ecei ved14Ju l y2005) Abst ract:I nGa A s/Ga A s P stra i n balanced quantum we ll si n g le j u nction solar cells have been gro wn by LP MOCVD.The quantum w ell structure w as analyzed by m eans o f doub le crysta l X ray diffracti o n.A high quality stra i n ba lanced quant u m w ell structure w as obtai n ed.W e also present both spectra l response results and light I V c haracteristics forMQ W so lar cells.The i n clusion o fMQW w ith i n the depletion reg ion of a solar cell extends the absorption range and the m ultij u nction so lar cell property can be i m pr oved.The resu lts of so lar cells are V oc,0.95V;I sc,32.09mA/c m2;FF,0.77;E f,f17.74%(AM0,25 ). K ey w ords:quantum w el;l so lar ce lls;MOC VD;ep itaxy 1 引 言 应变效应已经应用于光电子器件,同时实现了能带调整和异质材料的晶体生长,不仅拓宽了材料的应用范围,还提高和改善了光电子器件的性能。国内在量子阱结构发光器件和光电探测器方面已做了大量的研究工作,对量子阱结构的制作和工作机理进行了深入研究,取得了很多高水平的成果。量子阱结构同样可用于太阳能电池这种光电子器件。 英国帝国理工学院的Barnha m等人在1990提出了量子阱太阳能电池的设想[3],并研制出世界上第一个 收稿日期:2005 07 14 作者简介:孙强(1967 ),男,天津市人,研究员。E m ai:l s unq686@263.n et
3 量子阱器件的应用 3 . 1 量子阱红外探测器 量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代収展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用MBE 和MOCVD等先迚工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料, 容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 幵将从基态激収到第一激収态的电子通过电场作用 形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数, 使量子阱子带输运的激収态 被设计在阱内(束缚态) 、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。 因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统, 已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域,其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。 (1)军事方面,QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。(2)工业方面,QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。例如高压输电线路故障的检测十分困难, 可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机,从直升 机上对故障収生的位置迚行准确定位。产品的无损探伤及质量鉴定可以借助 QWIP,这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。另外,在金属焊接部件的质量鉴定方面,无需对样品迚行解剖和取样,就可以方便地查出
异质结在半导体激光器中的作用 电科学号：2013221105200182 姓名：施波 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。 同质结和异质结激光器 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管。在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向1"1区注入。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧 光，在一定的条件下发生激光。这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层。如GaAs。GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP—N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。 1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。2tt。m厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注A。00载流 子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中。目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，加之由于MBE、MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD、MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。 从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的
量子阱半导体激光器 摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。 二、基本理论 1、量子阱及其能带结构
第19卷第10期 半 导 体 学 报 V o l.19,N o.10 1998年10月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S O ct.,1998 1.3Λm I nGaA sP I nP应变多量子阱 部分增益耦合D FB激光器 陈 博 王 圩 张静媛 汪孝杰 周 帆 朱洪亮 边 静 马朝华 (国家光电子工艺中心 中国科学院半导体研究所 北京 100083) 摘要 本文在国内首次报道了采用直接刻蚀有源区技术在应变多量子阱有源区结构基础上制 作了113Λm InGaA sP InP部分增益耦合D FB激光器,器件采用全M OV PE生长,阈值电流 10mA,边模抑制比(S M SR)大于35dB,在端面未镀膜情况下器件单纵模成品率较高. EEACC:4320J,0510D,4250 1 引言 随着光纤通信技术发展和需求,由于增益耦合D FB激光器具有高的单纵模成品率、抗端面反射的影响、及高速调制下具有小的啁啾等优点[1]及应变多量子阱激光器在高微分增益、高线性度和高温特性等方面具有优越性[2～4],因而113Λm部分增益耦合D FB激光器成为CA TV系统和宽带综合业务信息网光纤通信中的理想光源. 在D FB激光器中引入增益耦合机制主要有增益光栅和吸收光栅两种方式.其中采用增益光栅的器件在原理上可能有更好的动态特性,因而极具研究价值[5].然而由于技术等方面的原因,增益光栅的制作及光栅表面的再生长是其制作的难点,如若处理不当,容易在有源区中引入大量的非辐射复合缺陷,影响到激光器的激射特性,这方面内容在文献中亦未见报道. 在本文中,我们采用直接刻蚀有源区的方法,优化了光栅的刻蚀条件和改善了光栅表面的再生长技术,利用M OV PE生长方法成功的制作了113Λm应变多量子阱部分增益耦合D FB激光器. 2 器件结构及制作 整个器件结构如图1所示.我们采用三次L P2M OV PE外延生长,制作了平面掩埋异质1998203210收到,1998205221定稿
西南交通大学 固体物理课程技术报告 量子阱半导体激光器的介绍及应用 年级: 2009级 学号: 09041124 姓名: 李慧 专业: 通信与信息系统 老师: 潘炜教授
摘要：本文从光子技术的发展入手，首先了介绍了半导体激光器的研究现状及前景，并阐述什么是半导体激光器和量子阱。讲述了半导体激光器的工作原理及优缺点，以及量子阱在半导体中应用——量子阱半导体激光器。 关键词：半导体激光器，量子阱，InGaAs 一、引言 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术的应用领域及前景越来越广阔。在要求极高数据处理速率的一些应用领域,光子器件正逐步取代电子器件得到有效的应用。可以预见,不久的将来光子器件及光子集成线路的重要性不亚于集成电路在当今的地位及作用。近几年来, 半导体激光器, 特别是量子阱激光器和量子点激光器发展迅猛，为了得到阈值电流低、量子效率高、室温工作、短波长、长寿命和光束质量好等高性能的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术[1]。半导体激光器(LD) 特别是量子阱半导体激光器(QWLD) 是光通信和光互连中重要的光源[3]。 为了获得更高的功率，方法之一就是使用宽波导结构，与传统的窄波导结构相比，宽波导结构有很多优势。宽波导结构可以增加横摸宽度，从而导致在一个大的范围内光强有效分布，减少了端面强度，因此输出功率更大[2]。 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。超宽带激光器可在6-8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。 二、半导体激光器的原理及优缺点 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件: （1）增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 （2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-n结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。 （3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在
摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展,首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程,第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用,最终以半导体激光器为例,展望激光器和异质结技术发展方向。 关键词：异质结，激光器 Abstract: The paper is a review of technique and recent progress about heterojunction and LD. Above all the history of development progress of heterojunction were introduced .Secondly it’s about the development and application of LD. Finally take LD for example, prospected the development direction of heterojunction and LD. Key words:heterojunction, laser 引言 半导体的核心是pn结,pn结是在一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的,也称为“同质结”。如果结两边是用不同的材料制成,就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。 第一章异质结的发展历程 pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。然而，随着无线移动通信、GPS、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。 但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代,随着液相外延(LPE),汽相外延(VPE) ,金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现,使异质结的生长日趋完善，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维)的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。 目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光LED、制备异质结发光二极管③制备异质结激光器④制备太阳能电池⑤超晶格和多量子阱器件[3]。尤其是量子阱超晶格器件由于它优异的性能成为了目前半导体器件的研究热点。
浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件: 1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。 2、要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对F—p 腔(法布里—珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与p-n结平面相垂直的自然解理面构成F-p腔。 3、为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔