半導體雙異質結鐳射二極體

　　半導體雷射器的一種，簡稱DH雷射器。DH雷射器中的雙異質結為三層結構，外側為寬頻隙半導體，中間一層為窄帶隙半導體（圖1a ）。PN結通常位於DH雷射器的一個異質結處，DH雷射器的中間夾層就是有源層。DH結構既提供載流子又是優良的光波導。在PN結加上足夠的正向偏置，使註入的載流子在有源層中達到反轉分佈，當諧振腔中的增益等於損耗時，有源區內就可獲得穩定的受鐳射振盪，同時從腔端面發射出雷射光束（圖2）。

　　1962年 R.N.霍耳等對 GaAs二極管在77K下加脈沖電流，觀察到受激光發射。此後，人們致力於研究室溫下連續激射的激光器。1967年研制成功單異質結激光器，1970年制出雙異質結激光器。從采用同質結、單異質結到 DH結構，激光器在室溫下的脈沖閾電流密度J_th由幾十萬安／厘米² 逐步下降到幾千安／厘米²。1970年秋，GaAs/Ga_1-x Al_xAs激光器在室溫下實現連續激射。

　　DH結構的優點是載流子和光都能極好地限制在有源區內，有利於實現室溫連續激射。圖1b為DH激光器正向偏置下的能帶圖。有源區的P側有一電子勢壘，N側有一空穴勢壘，它們分別阻止電子或空穴流出有源區，載流子幾乎全限制在有源區內，使得註入到有源區中的載流子濃度N足夠高。而受激發射增益系數g

N ^m(室溫 m＝2～3)，因而增益加大。有源區可采用P型、N型或不摻雜的半導體材料，並適當選擇異質結中的寬帶隙材料，使其折射率和中間窄帶隙材料的折射率之差超過5％（圖1c），這時，在有源區中傳輸的光受到更強的波導約束，把光場有效地限制在有限區內（圖1d）。光的近完全限制使光的衍射損耗降到最小。對輕摻雜DH激光器，閾值電流密度 J _th滿足如下關系

式中β為空間增益因子；α為損耗系數；L為腔長；R₁、R₂分別為兩端面的反射率；J₀為常數。DH激光器的β很大、α 很小，所以J_th就小得多。同時由於N 大、β大和α 小，這使得內量子效率η_i很高。

　　半導體激光器的J_th與溫度的關系如下

J_th＝Aexp(T/T₀)

式中A和T₀都為常數，T₀稱為特征溫度。DH激光器由於註入載流子的彌散效應減到最低，因而具有比同質結和單異質結高得多的T₀，也即前者的J_th隨溫度的變化比後兩者慢得多。DH激光器的另一優點是J_th隨有源區厚度d的減薄線性下降。這是因為DH結構能把載流子和光有效地限制在有源區內。有源區厚度d 比載流子擴散長度L_D(L_D一般為2～5微米)小得多時，載流子均勻填滿有源區，復合均勻地發生在有源區內。J_th 隨d的減薄而線性下降。當d＜0.3微米時，有部分光場漏出有源區，J_th逐漸偏離線性關系；最後導致J_th又逐漸回升，這就要求在采用減薄d的方法降低J_th時，d不應小於0.1微米。由於DH激光器具有J_th低、η_i高和T₀大的優點，為室溫下連續激射提供瞭可能性。

　　通常的DH激光器采用矩形波導式的諧振腔。圖2為V形槽襯底掩埋條形In_1-xGa_xAs_yP_1-y/InP DH激光器結構示意圖。在生長方向(x)，由異質結構成波導的界面；在出光方向(y)，利用晶體的天然解理面構成F-P諧振腔面；側向(z)采用條形結構。條形分兩類：①增益波導條形，構成波導的側向材料與有源區的相同，隻是在有源區兩側采用隔離技術，讓電流隻能從中間的窄條有源區流過，由註入載流子產生的受激發射增益來提高有效折射率，從而構成側向的折射率差。這一類條形有電極條形、平面條形、H⁺轟擊隔離條形等結構。由於增益波導特性隨註入電流而變化，因而這類激光器模式特性較不穩定。②折射率波導條形，即在有源區的兩側采用折射率較小的材料。這類條形結構有掩埋條形、脊形波導條形、V型襯底掩埋條形等結構。構成波導的折射率階躍不隨註入電流變化，因而器件性能穩定。隻要條寬小於2～5微米，就可獲得單基橫模。條形結構的條寬相當窄 (一般為2～15微米)，進一步降低瞭J_th；同時又提供瞭有源區的橫向散熱，使結溫不致升得太高。采用DH加條形結構的激光器容易獲得室溫連續激射。Ga_1-yAl_yAs/Ga_1-xAl_xAs 和In_1-xGa_xAs_yP_1-y/InP DH激光器已實現室溫連續激射。其特性可用如下三點表征。①輸出光功率 P和輸入電流關系：通常I_th為幾十毫安；P為5～80毫瓦；η_d為20％～70％。②模式特性:許多重要應用要求激光器以單基橫模工作，單基橫模的近場分佈為單峰。光束發射角大約為10°×50°。多數激光器的光譜有3～5個縱模，譜線半寬為10～25埃。有的激光器具有單縱模特性，其半寬為0.1～2埃。不僅在直流下而且在高頻調制下也能保持單縱模的，則稱為動態單縱模激光器。諧振腔可采用分佈反饋、鎖模、外腔、耦合腔或短腔等形式。③退化特性：當激光器的光輸入功率超過損傷閾值P_t時，腔面上的PN結處會出現損傷直至毀壞。在P_t以下，器件性能會隨工作時間的增加而逐漸變壞，稱為退化。為瞭保證激光器可靠工作，要求退化率足夠低，壽命足夠長。對於GaAs/Ga_1-xAl_xAsDH激光器，壽命τ和溫度T 服從下式關系

式中τ₀為常數，E_A為失效模式的激活能，k為玻耳茲曼常數，T_j為結溫。可采用提高溫度加速老化的辦法來推算器件的壽命。某些優級 Ga_1-yAl_yAs/Ga_1-xAl_xAs 和In_1-xGa_xAs_yP_1-y/InP DH激光器的外推壽命可以超過一百萬小時。為瞭得到長壽命器件，要盡量降低有源層材料的位錯和異質界面的失配位錯，減小外延中O₂的玷污，減小鍵合應力以及采用腔面鍍保護膜等措施。

　　DH激光器的中心層是受激光振蕩的有源層。根據所需的波長，由公式

(λ的單位為微米， E _g的單位為電子伏)來選取有源層的材料。為瞭得到高的發光效率，還需要選用直接帶隙材料。工藝的關鍵是生長晶格匹配的異質結及亞微米級的有源薄層。已經研制成功的DH激光器及其對應的激射波長為: Ga _1-y Al _yAs/ Ga _1-x Al _xAs(0.68～0.91微米)； In _1-x Ga _x As _y P _1-y/InP(1.1～1.65微米)； In _1-x Ga _x As _y P _1-y/ GaAs _1-y P _y(0.59～0.63微米)； Pb _1-x Sn _xTe/PbTe（6.5～32微米）。尚在研究中的有：GaInAsSb／GsSb；GaInAsSb／InAs；AlGaAsSb／GaSb；AlGaAsSb/InAs；AlGaInAs/InP等(見 半導體激光二極管)。

　　

參考書目

　H.C.Casey，M.B.Panish， Heterostructure Lasers，Academic Pr.，New York，1978.