半导体激光器原理及结构设计

2、半导体LD的结构设计将从电学和光学两方面来考虑半导体LD的结构，目的是通过对半导体LD的结构设计，来获得一定性能的激光输出。半导体激光器原理及结构设计2023最新整理收集do

something半导体LD的结构设计边发射型：激光输出与PN结平面方向平行：发展最早面发射型：激光输出与PN结平面方向垂直：新近出现常规边（端面）发射LD面发射LDLD的基本结构：半导体LD的结构设计本章节主要讨论边发射型结构。引入三个方向：X方向：结平面方向（垂直方向）Y方向：结方向 （水平方向）Z方向：腔长方向（纵向方向）半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计为什么要对垂直方向进行结构设计？世界上第一只半导体LD：同质结性能：Jth相当高，40~60kA/cm2；只能在低温下脉冲工作（77K）。原因：（1）注入的电子扩散到P+区，使有源区电子不能集中，很难形成电子的大量聚集。（2）同质结，P+、N区对光无限制作用，光泄漏明显。低温工作：保证从n区注入的电子没有足够的能量扩散和漂移到P+区，强行将电子限制在有源区。脉冲工作：保证某一瞬时有源区中的电子数分布反转。如果是连续注入电流，则电子扩散进P+区。要达到受激，必须增大注入电流。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计垂直方向结构设计思想：从第一只半导体LD的性能来看，要获得应用必须进行结构设计。垂直方向的结构设计的目的：降低阈值电流密度Jth；实现室温下工作；实现连续注入电流下工作。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计垂直方向的结构类型半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计同质结HomostructureHS单异质结SingleHeterostructureSH双异质结DoubleHeterostructureDH分别限制异质结SeparateConfinementHeterostructureSCH量子阱QuantumWellStructureQW同质结（Homostructure—HS）LD两种材料相同，Eg和n基本相同（只是由于导电类型和掺杂浓度不同而稍有偏差）。1962年开始研究1965年对其研究接近尾声半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计有源区一侧采用Eg较大的材料，Eg大的材料其折射率也小。1969年研制成功。在有源区和P+区界面形成（1）电子的势垒；（2）折射率台阶。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计单异质结（SingleHeterostructure—SH）LDSH结构特点：对一种载流子起限制作用；且对光子在一侧起限制作用。SH

LD性能：（1）由于在一侧采用了异质结，提高了注入效率，减少了光泄漏。Jth为同质结的1/5。 例：GaAlAs/GaAs：Jth~10kA/cm2。（2）室温下能脉冲激射。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计单异质结（SingleHeterostructure—SH）LD有源区的两侧采用Eg大的材料。1970年贝尔实验室研制成功。有源区两侧的两个界面上同时形成：（1）载流子势垒台阶 ——对两种载流子同时起限制作用。（2）折射率台阶 ——对光子同时从两侧起限制作用。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计双异质结（DH-DoubleHeterostructure

）LDDHLD的性能：（1）Jth大大降低。 例GaAlAs/GaAs：Jth~0.5kA/cm2。（2）室温下能连续工作。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计双异质结（DH-DoubleHeterostructure

）LDDHLD的阈值电流密度：对于DHLD，降低有源区厚度d，可以进一步降低Jth，但能承受的总输出光功率也相应降低。因为承受的输出光功率与发光尺寸相关。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计双异质结（DH-DoubleHeterostructure

）LD例如：如果激光输出为几mW，则发光处的光能密度可高达106W/cm2，相当于太阳表面的能量密度，将使端面处的半导体材料烧熔。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计如何实现Jth低功率大的LD？把载流子限制和光的限制分开半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计分别限制异质结LD（SCH-SeparateConfinementHeterostructure

）把载流子限制和光的限制分开p-GaAlAsp-GaAsn-GaAlAs载流子、光子限制层载流子、光子限制层DH结构p-GaAlAsp-GaAsn-GaAlAsP+-GaAlAsn+-GaAlAs光子限制层光子限制层载流子限制层载流子限制层SCH结构有源区半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计依靠

Eg1的带隙差把注入载流子限制在有源区d内依靠足够大的

n2把光限制在w区域SCH结构特点：Jth低、功率大分别限制异质结LD（SCH-SeparateConfinementHeterostructure

）半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计量子阱结构LD

（QuantumWellStructure）一般DHLD有源区最佳厚度约为0.15

m。d进一步降低，将会使Jth明显减小。但是，当d减至德布罗意波长（=h/p50nm），或者减至可以和波尔半径（1-50nm）相比拟时，半导体的能带结构、载流子有效质量、载流子的运动性质会出现新的效应—量子尺寸效应。相应的势阱称为量子阱。由于尺寸降低使电子和空穴的运动变得量子化，即电子和空穴的运动受到量子化的限制称为量子尺寸效应或量子阱效应。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计超晶格：对材料而言，由两种或两种以上性质（组分或导电类型）不同的超薄型晶体材料，相互交替堆叠形成多个周期的结构，如果每层的厚度足够薄，以致其厚度小于电子在该材料中的德布罗意波的波长，这种周期变化的超薄多层结构，叫做超晶格。ABABd1d2}一个周期量子阱结构LD—超晶格和量子阱的概念半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计超晶格的制备：分子束外延（MBE）技术，能精确控制生长层厚度的能力，生长出极薄的一层一层交替生长的超晶格。在这种超晶格材料中，人们可以任意改变薄膜的厚度，控制它的周期长度。一般来说，它的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长。ABABd1d2}一个周期量子阱结构LD—超晶格和量子阱的概念1970年由美国IBM公司的美籍日本人江崎和美籍华人朱兆强首先提出。半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计量子阱：针对物理效应而言，比如一个超晶格材料具有量子阱效应，那么，利用这种效应制作出的器件称为量子阱器件。无论是超晶格还是量子阱，共同特点是都具有量子尺寸效应。把具有超晶格、量子阱结构的LD称为超晶格量子阱LD或量子阱LD。量子阱结构LD—超晶格和量子阱的概念半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计可采用沟道势阱作近似分析。有源区中的载流子只在垂直于PN结平面方向（x）受到限制；在平行于结平面方向（y,z）上仍可自由运动。dV0xyzn有源区P+

e量子阱结构LD—量子阱中的电子状态半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计势阱中的电子波函数应满足三维的薛定谔方程：V(x)—结区势垒dV0xyzn有源区P+

e量子阱结构LD—量子阱中的电子状态将哈密顿算符分解为垂直于结平面的x分量和平行于结平面（yz）的横向分量，并假定：半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计得到在无限深异质结势阱中运动的载流子总能量为：载流子能量在y、z方向是连续的，而在x方向是量子化的。横向波失大小dV0xyzn有源区P+

e量子阱结构LD—量子阱中的电子状态半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计例GaAsDH量子阱能带：在窄带GaAs中的电子和空穴分别处在导带和价带形成的势阱中。E3CBVBn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsE2E1Ehh1Ehh2Elh1Ehh3E1、E2、E3

电子能级Ehh1、Ehh2、Ehh3

重空穴能级Elh1

轻空穴能级量子阱结构LD—量子阱中的电子状态MQWs衬底n-GaAsVBCBp-Ga1-xAlxAsn-Ga1-xAlxAsp-GaAsp-Ga1-yAlyAs半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计QWLD：把一般DHLD的有源区厚度d做成数十nm以下的结构。单量子阱结构：SQWs–SingleQuantumWellStructure多量子阱结构：MQWs–Multi-QuantumWellStructureCBVBn-GaAlAsp-GaAsp-GaAlAs衬底n-GaAsSQWs量子阱结构LD—量子阱（QW）LD的结构半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计SQWsLD：具有一个载流子势阱和两个势垒的量子阱LD。d20nm：有源区内的非平衡载流子大部分聚集在较低的能量状态；载流子的复合主要发生在阱内；其发光波长由有源区（GaAs阱）中的能级状态决定。量子阱结构LD—量子阱（QW）LD的结构E3CBVBn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsE2E1Ehh1Ehh2Elh1Ehh3半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计SQWsLD：具有一个载流子势阱和两个势垒的量子阱LD。d很薄，如8nm：载流子由于隧穿效应将不会被有效聚集；复合发光主要在阱外，发光波长由GaAlAs层的Eg决定。d太小的SQWs，从邻近限制层中收集非平衡载流子的效率较低。解决的措施：采用MQWSLD。CBVBn-GaAlAsp-GaAsp-GaAlAs衬底n-GaAsSQWs量子阱结构LD—量子阱（QW）LD的结构半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计MQWsLD：具有n个载流子势阱和n+1个势垒的量子阱LD。通过隧穿效应将有源区扩大，能有效收集非平衡载流子于阱中的较低能量状态，激光辐射就在量子阱内发生。一般量子阱LD通常采用多层结构。衬底n-GaAs衬底n-GaAsCBVBMQWsp-Ga1-xAlxAsn-Ga1-xAlxAsp-GaAsp-Ga1-yAlyAs量子阱结构LD—量子阱（QW）LD的结构半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计（1）低的Jth阱内具有相对高的态密度，容易形成粒子数分布反转。如：GaAlAs/GaAsMQWsLD：Jth~43A/cm2。 DHLD：Jth~500A/cm2（2）除受有源区Eg控制外，还随阱宽变化——可通过改变阱宽在小范围内选择工作波长。量子阱结构LD—量子阱LD的特性半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计超晶格带的能量随d的减小而增大，d变小，超晶格带之间的跃迁复合发射光的能量增大，波长变短。CB超晶格带的能量量子阱结构LD—量子阱LD的特性半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计（3）可高温工作，温度稳定性大大改善。特征温度T0可达150K（InGaAsP）。QWLD无须使用致冷器，无须补偿因温度引起性能变化的自动功率控制电路（APC）。（4）目前大功率激光器都采用量子阱结构。至今：连续输出功率可达：200W；准连续（即占空比为1:2或更大）输出功率可达：数千瓦；脉冲输出功率可达：数万瓦。量子阱结构LD—量子阱LD的特性半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计垂直方向结构设计总结：目的：实现低Jth、室温工作、连续注入电流下工作。设计思想：（1）采用双异质结，通过有源区与其上下的限制层之间带隙差

Eg和折射率差

n来实现载流子限制和光限制。（2）减小有源区厚度。更小的厚度将形成QW结构。半导体LD的结构设计平行方向的结构设计X方向：结平面方向（垂直方向）Y方向：结方向 （平行方向）Z方向：腔长方向 （纵向方向）半导体LD的结构设计—平行方向结构设计为什么要对平行方向进行结构设计？一般来说，如平行方向没有采取措施，电流是沿整个PN结平面注入，这种结构的LD的Jth较高，而且输出的激光光斑为椭圆形，与光纤的耦合效率较低。光纤通信基本不采用这种结构的LD。半导体LD的结构设计—平行方向结构设计平行方向结构设计的目的：降低工作电流；控制横模；横模半导体LD的结构设计—平行方向结构设计平行方向结构设计思想：将平行于结平面方向上的光子和载流子限制在一个较窄和很薄的条形区域内。同时提高载流子和光子的浓度，降低LD的阈值电流。横模控制结构：条形结构（有源区为条状）增益导波LD折射率导波LD半导体LD的结构设计—平行方向结构设计一、增益导波LD电流注入的电极：条状。设计思想：将注入的载流子约束在有源区的条形范围内（5~10

m宽），使非平衡载流子被局限在中心区域。由于在条形区域内光增益最大，条形区以外损耗较大，所以光分布也被限制在这个条形区域内。半导体LD的结构设计—平行方向结构设计一、增益导波LD增益导波的结构类型：电极条形台面条形离子轰击条形半导体LD的结构设计—平行方向结构设计一、增益导波LD——增益导波LD的性能（1）光功率—电流（P-I）特性非线性，出现kink扭折。出现kink的原因：普遍认为是由于有源区中折射率分布和增益分布发生局部变化。半导体LD的结构设计—平行方向结构设计（2）注入电流增加时，光斑尺寸不太稳定。原因：电流在水平方向的扩展增大。（3）侧向光场泄漏依然严重，非条形区域仍有光强分布。解决的办法：采用折射率导波LD。一、增益导波LD——增益导波LD的性能半导体LD的结构设计—平行方向结构设计二、折射率导波LD—设计思想利用水平方向上折射率突变分布来实现横模控制，使有源区产生的光在波导中传播时在有源区两侧产生全反射而导引，因而取名折射率导波。半导体LD的结构设计—平行方向结构设计二、折射率导波LD——与增益导波的区别增益导波LD在有源区两侧没有折射率差异，不会产生全反射，只会产生光的损耗泄漏，横模的控制只能依靠电流注入产生增益突变分布来实现。增益导波折射率导波半导体LD的结构设计—平行方向结构设计二、折射率导波LD—结构类型特点：Jth很低（水平方向、垂直方向都对载流子限制）横模控制能力强（水平方向对光子限制）输出光斑稳定，适合于与单模光纤耦合输出光功率有限：有源区的截面积小，出射端面能承受的光功率较低。工艺较复杂，而增益导波LD工艺简单半导体LD的结构设计—平行方向结构设计平行方向结构设计总结目的：降低阈值电流、控制横模。方式：增益导波、折射率导波利用水平方向增益突变利用水平方向折射率突变为了获得模式稳定的激光振荡，最好采用折射率导波限制。半导体LD的结构设计纵向方向的结构设计X方向：结平面方向（垂直方向）Y方向：结方向 （平行方向）Z方向：腔长方向 （纵向方向）半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计为什么要对纵向方向进行结构设计？纵向结构是决定器件纵模特性的重要因素。纵向结构的重要性，可从F-P型LD的局限性来理解。纵向结构设计的目的：实现单（频）模振荡半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计F-P型LD的局限性

F-P谐振腔内允许的纵模个数和波长应满足共振条件：谱宽：半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计选频作用差，受激振荡时很难获得单模振荡或单频振荡。温度或注入电流变化时，出现模式跳跃和谱线展宽，对高速光纤通信极为不利。局限性：F-P型LD的局限性半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计纵向结构的类型：分布反馈（DFB）LD（DFB-DistributedFeedback）分布布拉格反射式（DBR）LD（DBR-DistributedBragReflector）DFBDBR半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计分布反馈（DFB）LD目前已成为中、长距离光纤通信的主要激光器。特别是在1.3

m、1.55

m光纤通信系统，以及光纤有线电视（CATV）传输系统中，DFBLD已成为不可替代的光源。

设计思想：

有源区表面沿纵向方向形成周期性波纹形状。半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计——结构在有源区介质表面上使用全息光刻法制成周期性的波纹形状，波纹的周期为D。发射的光子将受到有源区表面每条光栅的反射，从而形成光反馈，在两端面可得到激光输出。激光波长：工作原理：分布反馈LD原理分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计——晶体的X射线Brag反射原理经晶面族反射的光束将发生干涉。发生干涉的条件是：逐个反射面反射的光程差必须为波长的整数倍，即为介质中光波的波长2dsin

B=m分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计

DFBLD的周期波纹光栅类似于晶体的晶面族。对于DFBLD，入射光与光栅垂直，即

B以90°角入射于周期性波纹光栅上。栅条间入射光与反射光的方向恰好相反。满足一定条件时，反射光将发生相互干涉。

——晶体的X射线Brag反射原理分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计即

B=90°，d=D,代入2dsin

B=m得到：

=2D/m（m=1,2,3,…….）

为有源区中光的波长，m为光栅级数DFB中光波波长：而F-PLD的光波波长：——晶体的X射线Brag反射原理分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计一旦有源区材料和结构确定，即neff、m、D确定，只有上式确定的波长的光才会受到强烈反射，从而提供光反馈。尽管有源区波导还有其它波长，但唯一

B能干涉反馈振荡放大激射，最终把所有光能量都集中到B的纵模上，实现单纵模激光输出。——晶体的X射线Brag反射原理分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计F-P型：当工作电流超过Ith时，往往同时激射若干纵模，很难实现单纵模振荡。DFBLD：可在自发发射波长范围内有控制地选择发射波长。（1）选模（选频）——DFBLD的性能分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计选模（选频）作用的一个应用：集成光路的频率多路复用技术在单片衬底上制作不同光栅周期的DFBLD，并通过一个光波导耦合便可输出多束不同波长的激光。这样的多频道集成化的LD在多频道高速数据传输中特别有用。——DFBLD的性能分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计（2）谱宽窄光栅比解理面更具波长选择性：普通F-PLD： 0.1~0.2nmDFBLD： 0.05~0.08nm——DFBLD的性能分布反馈（DFB）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计（3）稳定性好随PN结温的漂移对光纤通信系统十分不利。光纤通信系统中，使用窄带通滤光器减小背景光强来提高信噪比。小到1nm的漂移就可能把光束波长移到滤光器的通带之外。DFBLD：0.08nm/°C——DFBLD的性能分布反馈（DFB）LDF-PLD：0.3~0.4nm/

C半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计分布布拉格反射式（DBR）LDDFBLD的局限性：制作光栅时，需要复杂的二次外延技术。在制作出光栅波纹之后，由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，使LD的内量子效率降低。解决的措施：把周期性波纹放在有源区波导两外侧的无源波导上。即DBR结构。半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计DBRLD的结构：DBRDFBDBR：两个无源周期波纹波导充当Brag反射镜作用，只有Brag频率附近的光波才能提供有效的反馈。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Brag反射，使只有Brag频率附近的光波能满足振荡条件，从而发射出激光。分布布拉格反射式（DBR）LD无源周期波纹波导（光栅区）有源波导（增益区）半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计光栅做在外面的好处：（1）避免由于制作光栅过程中的晶格损伤引起的非辐射复合。（2）光栅可单独制作。分布布拉格反射式（DBR）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计DBRLD的优点：由于有源区和波纹光栅分开，减少了非辐射复合，因而损耗减少，提高了发光效率，降低了阈值电流，从而实现室温连续工作。易控制纵模，可获得单频输出。不需要谐振腔结构的反射镜，有利于与其它光电子器件耦合。分布布拉格反射式（DBR）LD半导体LD的结构设计—纵向方向结构设计纵向结构的变化对LD性能的影响 F-P DFB、DBR输出纵模特性 多纵模 单纵模波长与温度、电流关系 模式跳动 稳定，仅有微小变化线宽