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单异质结半导体激光器ppt

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  Single heterostructure laser diode 单异质结半导体激光器 s120100031-费穷 什么是异质结 ? 异质结就是禁带宽度不同的两种材 料,在原子尺度上形成完美界面的 材料,由于这两种材料的能带结构 不同,因而在界面上的能级匹配就 有很多变化,还可以把各种类型的 异质结结合在一起充分发挥它们的 功能。最基本的接触界面有:半导 体与半导体,金属与半导体以及绝 缘体与半导体之间的界面。由两种 不同的半导体材料组成的结就称为 半导体异质结。 异质结 ? 在半导体异质结中,如果两种半导体材 料的晶格常数相差很大(大于1%),由 于晶格失配,在交界面处形成许多缺陷 能级,这是一些使发光猝灭的深能级。 因而在实际应用中,例如,选作激光二 极管的半导体异质结则应是由晶格匹配 的两种半导体组成。在晶格匹配的半导 体异质结中,两种材料在界面处相互渗 透或扩散会形成一层过渡层,过渡层的 厚度小于几个原子层的结称为突变结, 过渡层大于这一厚度的结则为缓变结, 突变异质结是一种理想的情况。 异质结 在这种理想的情况下,由于构成异质结 的两种半导体材料的禁带宽度、电子亲 和势及电容率的差别,在界面处会出现 能带的“飞起”、“凹陷”、“尖峰” 等现象。安德森提出了这种理想的异质 结的能带结构模型,他的研究表明在突 变异质结中,由于两种材料的电子亲和 势差较强,它大大降低了界面处的电场, 因而在导带和价带中出现了较强的尖峰 和阶跃,这就使异质结用作发光器件时 具有同质结所不具备的优点。 ? 例如,p型是窄禁带而n型是宽禁 带材料的异质结在价带中产生一 阶跃,显然,空穴从p区进入n区 时所越过的势垒大于电子从n区 进入p区所越过的势垒。因此, 外加正向偏压后,电子从n区向p 区的注入比空穴从p区向n区的注 入大得多,这就大大提高了注入 效率,从而提高了发光效率。我 们知道,pn结发光器件发光主要 发生在p区,如果这时在p区外再 生长一层宽禁带的p型材料,那 么在外加正向偏压作用下由n区 进入p区的电子受到宽禁带p+区 势垒的阻挡。 异质结 ? 若p区做得很薄,就可以限制电子在p区内的扩散长度,使电子的复合 区域被限制在一个很薄的范围内,大大提高了注入载流子在p区内的浓 度,有利于增加载流子复合的几率,提高复合区的光密度。不仅如此 ,p区发出的光子的能量等于p区禁带宽度,但小于p+区禁带宽度,因 此当光子穿过p+区时不会被吸收。这样,p+区就形成了光发射的窗口 ,p区产生的光很容易透过p+区出射到器件外面。1962年GaAs同质结半 导体激光器研制成功,然而只能在液氮温度下脉冲工作,缺乏实用价 值。半导体发展史上一个重要突破是1967年利用液相外延的方法制成 了单异质结半导体激光器,实现了在室温下脉冲工作,其阈值电流密 度比同质结半导体激光器降低了一个数量级。 异质结的发展 1963年Kroemer和Alferov等提出利用 不通带隙的半导体材料构成异质结构激 光器的想法,这种异质结激光器有源区 采用窄带隙、高折射率的材料,包层 (限制层)采用宽带隙、低折射率材料。 异质结结构利用两种材料的带隙差形成 的导带、接待的跃迁作为限制电子和空 穴在有源区的势垒,从而易于产生光增 益,两种材料折射率形成的折射率光波 导,又可以有效地将光模限制在有源区 内进而减少了内部损耗,提高了光电转 换效率。 异质结的发展 ? 早期的研究结果表明,只有构成异质结质的两种材料匹的晶格常数严 格匹配时,才能制备出性能良好的激光器件。到1970年,随着多层材 料生长技术 成熟,又相继研制成功了室温脉冲和室温连续工作的 GaAs/GaAlAs异质结激光器,Panish等人研制GaAs双异质结激光器,其 阈值电流密度已降到1.6KA/cm2。在异质结结构中,因为有源层与包层 是由不同的半导体材料生长而成,两者的折射率差较同质结结构提高 了几倍,因此它的光场限制因子增大,光场向外侧渗透的比例就较小 ,同时由于折射率差大,很薄的有源区足以构成光波导层,有利于形 成粒子数反转,便于降低其工作阈值电流密度。另外,由于异质结结 构比同质结具有更高的载流子注入效率,理所当然地这种结构的激光 器具有更好的器件性能。 异质结的发展 异质结的组成 ? 它是由两种不同带隙的半导体材 料薄层,如GaAs , AlGaAs所组成, 阀值电流密度比同质结激光器降 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。 ? 如图1 (a)所示,这种单异质结激光器的结构是在 GaAs的pn结的P型GaAs一侧上再生长一层P型 AlGaAs半导体的三层结构。这三层半导体材料的 禁带宽度、折射率并不相同,如图1 (b)、(c)所 示。在热平衡状态及加正向电压情况下的能带如 图 1(d)、(e)所示。这种激光器的优点是阈值低 ,效率高。 ? 这种激光器的优点是阈值低,效率高。其原因是 由于AlGaAs比GaAs具有较宽的禁带宽度和较低的 折射率。由于AlGaAs的禁带宽度比GaAs的大,一 方面在P型GaAs—AlGaAs异质结处出现了较高的势 垒,使从n型GaAs注入到P型GaAs中的电子受到阻 碍,不能继续扩散到P型AlGaAs中去;和没有这种 势垒存在时比较,p-GaAs层内的电子浓度增大, 提高了增益。 ? 另一方面,P型AlGaAs对来自P型GaAs的发光 吸收系数小,损耗就小。而由于AlGaAs的折射率 较GaAs的低,因此限制了光子进入到AlGaAs区, 使光受反射而局限在P区内,从而减少了周围非受 激区对光的吸收。单异质结激光器的阈值电流密 度目前一般为(10~15)×103A/cm2,比GaAs同质 结激光器的阈值电流密度(10~100)×103A/cm2 低。 高功率半导体激光器的应用 ? 激光塑料焊接、激光熔覆与表面热处理、激光金属焊接、激光达标、 激光焊接 打标机

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