高等半导体物理Chapter 5 异质结构与量子阱激光器.pdf

第五章第五章 异质结构与量子阱激光器异质结构与量子阱激光器 55.11 半导体激光器的基础理论半导体激光器的基础理论 5.2 激光器的分类与应用 5.3 半导体激光器的基本结构 5.4 几种常见的半导体激光器 5.5 半导体量子阱激光器 第四章 异质结构与量子阱激光器 LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母缩 写，意思是“光的受激发射放大”。激光器是以发射高亮度光波为特征的相干 光光源，是一种光频种光频振荡荡器，或或理解为解为 “激光激光振荡荡器”。 年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激奠定了激 光发展的基础。1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼 发明了世界上第一台红宝石激光器。 1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。1963年H. Kroeme首先提 出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大 大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。 1969年，前苏联的Zh. I. Alferov 与其他几位科学家几乎同时独立地得到了 AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和和Zh. I. Alferov 因此获获得了2000年诺年诺贝尔物尔物理学奖学奖。 第四章 异质结构与量子阱激光器 激光的特性：方向性好，亮度高，单色性好，相干性好。光子的高简并度 包括了上述四特性。 半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD ），是以半导体材料为工作 物质的物质的一类激光器件类激光器件。。 体积小，重量轻； 驱动功率和电流较低驱动功率和电流较低；； 效率高，工作寿命长； 可直接电调制可直接电调制；； 易于与各种光电子器件实现光电子集成； 与半导体制造技术兼容与半导体制造技术兼容，可大批量生产可大批量生产。 半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发 展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。 5.1 半导体激光器的基础理论 第四章 异质结构与量子阱激光器 激光激光器的的三大大要素素 广义而言，无论是固体激光器、气体激光器还是半导体激光器以及别的激光器， 若要发出激光若要发出激光，必须满足三个基本条件必须满足三个基本条件： (1) 能产生激光的物质。如镱铝石榴石（YAG ）、He-Ne气体、GaAs晶体等，它 们都具有们都具有一定的能级或能带结构和载流子复合速率等定的能级或能带结构和载流子复合速率等。对于半导体来说对于半导体来说，直接带直接带 隙半导体的发光效率比间接带隙半导体高3个数量级，因此只有直接带隙半导体 材料才能制作激光器。 (2) 粒子数反转。我们可以采取某些措施，比如光照、高压放电、电流注入、化 学反应等不同方式把能量转换给能产生激光的物质，使其中的粒子由低能态泵浦 到高能态。如果泵浦能力足够强，使位于高能态上的粒子数目远远大于该温度下 平衡时低能态上的粒子数，从而实现粒子数反转。 (3) 谐振腔。谐振腔对合适波长的光产生正反馈，使其获得足够大的增益，克服 内部和端面的损耗，从而发生谐振，产生激光振荡。谐振腔起到了产生反馈、选 择波长择波长、、形成谐振形成谐振、、发出激光的作用发出激光的作用。。 5.1 半导体激光器的基础理论 第四章 异质结构与量子阱激光器 激光激光器的的三大大要素素 半导体激光器的材料：直接带隙半导体。在各种半导体材料中，凡是能带结 构为直接带隙的半导体材料都适合于制作激光器，它们是合适的激光物质； 半导体激光器的泵浦方式：光照、电子束激发和通过pn结注入载流子等。pn 结注入是最常用也是很简便的方式；特别是异质结构