【文章內(nèi)容簡介】 電輸出信號圖 光纖傳輸系統(tǒng)的基本器件發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 28 下圖所示為一種用于光纖通信的表面發(fā)射紅外光 GaInAsP LED。 光線由表面的中央?yún)^(qū)域發(fā)出 ， 并導入光纖內(nèi) 。 利 用 異 質(zhì) 結(jié) ( 如GaInAsPInP)可以提高效率 ， 因為環(huán)繞在輻射性輻射區(qū) GaInAsP周圍具有高約束的半導體 InP會有約束載流子的作用 。 異質(zhì)結(jié)亦可作為輻射線的光窗 ， 因為高禁帶寬度約束層不會吸收從低禁帶寬度輻射區(qū)發(fā)出的輻射線 。 發(fā)光二極管 單片鏡片 涂層 AR 接觸 n m) 75 (~ InP n ? 襯底 m) ( InP n ? m) ( ) ( GaInAsP ? 激活 m) ( InP p ? m) ( GaInAsP p ? 2 SiO Au Cr 接觸 p Au 鍍 散熱器 Si 單片鏡片涂層接觸襯底激活接觸鍍散熱器現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 29 半導體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光很相似 ， 它們都能發(fā)出方向性很強的單色光束 。 不同之處在于半導體激光較其他激光體積小 (長度約只有 )， 而且在高頻時易于調(diào)制 ， 只需要調(diào)節(jié)偏電流即可 。 由于這些特性 ， 所以半導體激光是光纖通信中最重要得光源之一 。 它可以應(yīng)用于錄像機 ， 光學刻錄機及高速激光打印機等 。 除此之外 ， 它還廣泛用于許多基礎(chǔ)研究與技術(shù)領(lǐng)域 ， 如高分辨率氣體光譜學及大氣污染監(jiān)測等 。 所有會發(fā)出激光的半導體材料都具有 直接禁帶 ， 這是可以理解的 。 因為直接禁帶半導體的動量守恒 ， 因此 有較高的輻射性躍遷幾率 。 目前的激光波長涵蓋范圍可從 30μm。 砷化鎵是最先被發(fā)現(xiàn)可發(fā)出激光的材料 ， 故與它相關(guān)連的 Ⅲ V族化合物合金也受到了廣泛的研究 。 激光半導體材料 半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 30 最重要的三種 Ⅲ V族化合物合金系統(tǒng)是 GaxIn1xAsyP1y、 GaxIn1xAsySb1y和 AlxGa1xAsySb1y。 下圖所示為 Ⅲ V族二元 ， 三元及四元化合物的禁帶寬度與晶格常數(shù)的關(guān)系 。 若要做出可忽略界面陷阱的異質(zhì)結(jié)構(gòu) ， 則必須使兩種半導體材料的晶格能緊密地匹配在 一 起 。 如 果 使 用GaAs(a=)作為襯底 ，則三元化合物 AlxGa1xAs的晶格不匹配會小于 ％ ． 同樣的 ，若使用 InP (a=)作為襯底 ， 則四元化合物 GaxIn1xAsyP1y也可以達到很完美的晶格匹配 。 族 化 合 物 固 態(tài) 合 金 系 統(tǒng) 的 禁 帶 寬 度 與 晶 格 常 數(shù) 的 關(guān) 系 圖 0A l PG a PPI nA l0 . 5 10 . 4 9A l A sPI nG a0 . 4 90 . 5 10 . 0 40 . 9 6PA l A sG a A sA sI nG a0 . 5 30 . 4 70 . 50 . 5S bG a A sI n A sI n S bA l S bA sI nA l0 . 5 20 . 4 8I n P?? ?? ? ?yyxx???11PA sI nG a:yyxx??? ?11S PA sI nG a:yyxx ??? ? ?11S PA sG aA l:bbA/a?圖8 . 1 8三 種I I I V/eVgE半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 31 圖 (a)表示三元化合物 AlxGa1xAs的禁帶寬度是鋁成分的函數(shù) 。 在 x＜ ， 此合金為 直接禁帶 半導體 ， 超過此值后則變成 間接禁帶 半導體 。 圖 (b)顯示折射率與鋁成分的關(guān)系 。 當 x= ， AlxGa1xAs的 禁帶寬度 為， 它比 GaAs大了， 而其 折射率 為， 比 GaAs小了 6％ 。這些都是 在室溫或高于室溫的環(huán)境下 ， 半導體激光作連續(xù)工作時的重要特性 。 0 g?Eg?Eg?E直接禁帶間接禁帶g?EG aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs系禁帶寬度與其成分的關(guān)AsGaAl)(1 xxa圖 8. 190 G aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs??hK297?T系的折射率與其成分的關(guān)時在 AsGaAl38 )(1 xxbn折射率eV/Eg禁帶寬度0 g?Eg?Eg?E直接禁帶間接禁帶g?EG aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs系禁帶寬度與其成分的關(guān)AsGaAl)(1 xxa圖 8. 190 G aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs??hK297?T系的折射率與其成分的關(guān)時在 AsGaAl38 )(1 xxbn折射率eV/Eg禁帶寬度半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 32 分布反轉(zhuǎn) :為了增強激光工作所需的受激輻射 ， 需要分布反轉(zhuǎn) （ 必要條件 ） 。 考慮 簡并型 半導體間形成的 pn結(jié)或異質(zhì)結(jié) 。 這表示在結(jié)兩端的摻雜能級甚高 ，以致于在 p型區(qū)的費米能級 EFV比價帶的邊緣還低 ， 而在 n型區(qū)的費米能級 EFC則高于導帶的邊緣 ， 如圖 。 當外加一足夠大的偏壓時 ， 會產(chǎn)生大注入的情況 ， 亦即會有很高濃度的電子與空穴注入轉(zhuǎn)移 。 結(jié)果 在 d區(qū)域中 ， 導帶有大量的電子而價帶則擁有大量的空穴 ， 這就是分布反轉(zhuǎn)所需的條件 。即： 激光的工作原理 pG a A s G a A sn p p nG a A sA sG aA l1 xx?hCEVEF VEF CECEVEgE?hgECEVEF VECEF CEm2 ?%1~折 射 率折 射 率光d有 源 區(qū)光有 源 區(qū))( a ?%5~折 射 率折 射 率d有 源 區(qū)光有 源 區(qū)光)( b圖8 . 2 0 ( a )同 質(zhì) 結(jié) 激 光 與( b )雙 異 質(zhì) 結(jié) （D H） 激 光 的 一 些 特 性 的 比 較.第 二 行 是正 向 偏 壓 下 的 能 帶 圖.同 質(zhì) 結(jié) 激 光 的 折 射 率 變 化 小 于1 %， 而D H激 光 的 折 射 率 變化 則 約 為5 % .最 下 面 一 行 是 光 的 約 束 情 形gFVFC EEE ?? )(半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 33 載流子與光學約束 :如雙異質(zhì)結(jié)激光所示 ， 由于 雙異質(zhì)結(jié)勢壘 而使 載流子在有源區(qū)的兩端都被約束 住 ， 而同質(zhì)結(jié)激光的載流子則可離開發(fā)生輻射性復合的有源區(qū) 。 在雙異質(zhì)結(jié)激光中 ， 由于有源區(qū)外面的折射率驟然減小 ，會造成光場被約束在有源區(qū)內(nèi) . 右圖是一個三層介質(zhì)的波導管 ，其折射率分別為 n1,n2和 n3， 其中有源層如三明治般被夾在兩個約束層之間 (a)。在 n2n1n3的條件下 ， 第一層和第二層界面 (b)的 光線角度 θ 12超過臨界角 。 而第二層和第三層界面間的 θ23也有相似的情況發(fā)生 。 因此當有源層的折射率大于周圍的折射率時 ， 光學輻射就被導引 (約束 )在與各層界面平行的方向上 ． 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導 管)( a波 導 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 34 定義 約束因子 為在 有源區(qū)內(nèi)的光強度 對 有源區(qū)內(nèi)外光強度總和的比例 ， 其大小可表示為 其中 C為常數(shù) ， Δ n為折射率之差 ， d為有源層的厚度 。 顯然 ，Δn與 d愈大 ， 約束因子就愈高 。 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導 管)( a波 導 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層)e x p (1 dnC ?????光學腔與反饋： 使激光作用的必需條件為分布反轉(zhuǎn) 。 只要分布反轉(zhuǎn)的條件持續(xù)存在 ， 通過受激輻射放出的光子就 有可能 引發(fā)更多的受激輻射 。 這就是光增益的現(xiàn)象 。 半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 35 光波沿著激光腔作單程傳導所獲得的增益是很小的 。 為了 提高增益 ， 必須使光波作多次傳播 ， 可以用 鏡面置于腔的兩端 來實現(xiàn) ， 如圖 (a)左右兩側(cè)所示的反射面 。 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導 管)( a波 導 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層對于半導體激光而言 ， 構(gòu)成器件的晶體的 劈裂面 可以作為此鏡面 。 如沿著砷化鎵器件的 (110)面劈開 ， 可以產(chǎn)生兩面平行 ， 完全相同的鏡面 。 有時候激光的背部鏡面會予以 金屬化 ， 以提高其反射率 。 每一鏡面的反射率 R可算出為 211???????????nnR其中 n為半導體對應(yīng)于波長 λ 的折射率 （ 通常 n為 λ的函數(shù) ） 。 半導體激光 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 36 如果 兩鏡面間的距離恰好是半波長的整數(shù)倍 時 ， 增強且相干的光會在腔中被來回地反射 。 因此對受激輻射而言 ， 腔的長度 L必須滿足下述條件 ： 其中 ， m為一整數(shù) 。 顯然 ，有許多的 λ 值可以滿足條件[圖 (a)]， 但只有那些落在自發(fā)輻射光譜內(nèi)的值會被采用[圖 (b)]。 而且 ， 光波在傳播中的衰減 ， 意味著只有最強的譜線會殘留 ， 導致如圖 (c)所示的一組發(fā)光模式 。 Lnm ??????? 2? Lnm 2??即 ???長軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長)( c激光模式?圖 8. 2