2) double heterojunction laser
双异质结激光器
6) double-heterostructure injection laser
双异质结构注入式激光器
补充资料：半导体双异质结激光二极管
半导体激光器的一种，简称DH激光器。DH激光器中的双异质结为三层结构，外侧为宽带隙半导体，中间一层为窄带隙半导体（图1a ）。PN结通常位于DH激光器的一个异质结处，DH激光器的中间夹层就是有源层。DH结构既提供载流子又是优良的光波导。在PN结加上足够的正向偏置，使注入的载流子在有源层中达到反转分布，当谐振腔中的增益等于损耗时，有源区内就可获得稳定的受激光振荡，同时从腔端面发射出激光束（图2）。 1962年 R.N.霍耳等对 GaAs二极管在 77K下加脉冲电流, 观察到受激光发射。此后, 人们致力于研究室温下连续激射的激光器。 1967年研制成功单异质结激光器, 1970年制出双异质结激光器。 从采用同质结、 单异质结到 DH结构, 激光器在室温下的脉冲阈电流密度Jth由几十万安／厘米2 逐步下降到几千安／厘米2。 1970年秋，GaAs/Ga1-x AlxAs激光器在室温下实现连续激射。
DH结构的优点是载流子和光都能极好地限制在有源区内，有利于实现室温连续激射。图1b为DH激光器正向偏置下的能带图。有源区的P侧有一电子势垒，N侧有一空穴势垒，它们分别阻止电子或空穴流出有源区，载流子几乎全限制在有源区内,使得注入到有源区中的载流子浓度N足够高。而受激发射增益系数gNm(室温m＝2～3)，因而增益加大。有源区可采用P型、N型或不掺杂的半导体材料，并适当选择异质结中的宽带隙材料，使其折射率和中间窄带隙材料的折射率之差超过5％（图1c），这时，在有源区中传输的光受到更强的波导约束,把光场有效地限制在有限区内（图1d）。光的近完全限制使光的衍射损耗降到最小。对轻掺杂DH激光器，阈值电流密度Jth满足如下关系
式中β为空间增益因子;α为损耗系数;L为腔长；R1、R2分别为两端面的反射率；J0为常数。DH激光器的β很大、α 很小,所以Jth就小得多。同时由于N 大、β大和α 小，这使得内量子效率ηi很高。
半导体激光器的Jth与温度的关系如下
Jth＝Aexp(T/T0)
式中A和T0都为常数,T0称为特征温度。DH激光器由于注入载流子的弥散效应减到最低，因而具有比同质结和单异质结高得多的T0，也即前者的Jth随温度的变化比后两者慢得多。 DH激光器的另一优点是Jth随有源区厚度d的减薄线性下降。这是因为DH结构能把载流子和光有效地限制在有源区内。有源区厚度d 比载流子扩散长度LD(LD一般为2～5微米)小得多时，载流子均匀填满有源区，复合均匀地发生在有源区内。 Jth 随d的减薄而线性下降。当d＜0.3微米时,有部分光场漏出有源区,Jth逐渐偏离线性关系；最后导致Jth又逐渐回升,这就要求在采用减薄d的方法降低Jth时,d不应小于0.1微米。由于DH激光器具有Jth低、ηi高和T0大的优点，为室温下连续激射提供了可能性。
通常的DH激光器采用矩形波导式的谐振腔。图2为V形槽衬底掩埋条形In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器结构示意图。在生长方向(x),由异质结构成波导的界面;在出光方向(y),利用晶体的天然解理面构成F-P谐振腔面;侧向(z)采用条形结构。条形分两类：①增益波导条形,构成波导的侧向材料与有源区的相同，只是在有源区两侧采用隔离技术,让电流只能从中间的窄条有源区流过,由注入载流子产生的受激发射增益来提高有效折射率，从而构成侧向的折射率差。这一类条形有电极条形、平面条形、H+轰击隔离条形等结构。由于增益波导特性随注入电流而变化，因而这类激光器模式特性较不稳定。②折射率波导条形，即在有源区的两侧采用折射率较小的材料。这类条形结构有掩埋条形、脊形波导条形、V型衬底掩埋条形等结构。构成波导的折射率阶跃不随注入电流变化,因而器件性能稳定。只要条宽小于2～5微米,就可获得单基横模。条形结构的条宽相当窄 (一般为 2～15微米),进一步降低了Jth;同时又提供了有源区的横向散热，使结温不致升得太高。采用DH加条形结构的激光器容易获得室温连续激射。Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs 和In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器已实现室温连续激射。其特性可用如下三点表征。①输出光功率 P和输入电流关系：通常Ith为几十毫安;P为5～80毫瓦;ηd为20％～70％。②模式特性:许多重要应用要求激光器以单基横模工作，单基横模的近场分布为单峰。光束发射角大约为10°×50°。多数激光器的光谱有3～5个纵模，谱线半宽为10～25埃。有的激光器具有单纵模特性,其半宽为0.1～2埃。不仅在直流下而且在高频调制下也能保持单纵模的，则称为动态单纵模激光器。谐振腔可采用分布反馈、锁模、外腔、耦合腔或短腔等形式。③退化特性：当激光器的光输入功率超过损伤阈值Pt时, 腔面上的PN结处会出现损伤直至毁坏。在Pt以下，器件性能会随工作时间的增加而逐渐变坏,称为退化。为了保证激光器可靠工作，要求退化率足够低,寿命足够长。对于GaAs/Ga1-xAlxAsDH激光器, 寿命τ和温度T 服从下式关系
式中τ0为常数，EA为失效模式的激活能, k为玻耳兹曼常数，Tj为结温。可采用提高温度加速老化的办法来推算器件的寿命。 某些优级 Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs 和In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器的外推寿命可以超过一百万小时。为了得到长寿命器件，要尽量降低有源层材料的位错和异质界面的失配位错，减小外延中O2的玷污，减小键合应力以及采用腔面镀保护膜等措施。
DH激光器的中心层是受激光振荡的有源层。根据所需的波长，由公式 (λ的单位为微米, Eg的单位为电子伏)来选取有源层的材料。为了得到高的发光效率,还需要选用直接带隙材料。工艺的关键是生长晶格匹配的异质结及亚微米级的有源薄层。已经研制成功的DH激光器及其对应的激射波长为:Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs(0.68～0.91微米)； In1-xGaxAsyP1-y/InP(1.1～1.65微米)；In1-xGaxAsyP1-y/GaAs1-yPy(0.59～0.63微米)；Pb1-xSnxTe/PbTe（6.5～32微米）。尚在研究中的有：GaInAsSb／GsSb；GaInAsSb／InAs；AlGaAsSb／GaSb；AlGaAsSb/InAs;AlGaInAs/InP等(见半导体激光二极管)。
参考书目
H.C.Casey, M.B.Panish, Heterostructure Lasers,Academic Pr.,New York,1978.
DH结构的优点是载流子和光都能极好地限制在有源区内，有利于实现室温连续激射。图1b为DH激光器正向偏置下的能带图。有源区的P侧有一电子势垒，N侧有一空穴势垒，它们分别阻止电子或空穴流出有源区，载流子几乎全限制在有源区内,使得注入到有源区中的载流子浓度N足够高。而受激发射增益系数gNm(室温m＝2～3)，因而增益加大。有源区可采用P型、N型或不掺杂的半导体材料，并适当选择异质结中的宽带隙材料，使其折射率和中间窄带隙材料的折射率之差超过5％（图1c），这时，在有源区中传输的光受到更强的波导约束,把光场有效地限制在有限区内（图1d）。光的近完全限制使光的衍射损耗降到最小。对轻掺杂DH激光器，阈值电流密度Jth满足如下关系
式中β为空间增益因子;α为损耗系数;L为腔长；R1、R2分别为两端面的反射率；J0为常数。DH激光器的β很大、α 很小,所以Jth就小得多。同时由于N 大、β大和α 小，这使得内量子效率ηi很高。
半导体激光器的Jth与温度的关系如下
Jth＝Aexp(T/T0)
式中A和T0都为常数,T0称为特征温度。DH激光器由于注入载流子的弥散效应减到最低，因而具有比同质结和单异质结高得多的T0，也即前者的Jth随温度的变化比后两者慢得多。 DH激光器的另一优点是Jth随有源区厚度d的减薄线性下降。这是因为DH结构能把载流子和光有效地限制在有源区内。有源区厚度d 比载流子扩散长度LD(LD一般为2～5微米)小得多时，载流子均匀填满有源区，复合均匀地发生在有源区内。 Jth 随d的减薄而线性下降。当d＜0.3微米时,有部分光场漏出有源区,Jth逐渐偏离线性关系；最后导致Jth又逐渐回升,这就要求在采用减薄d的方法降低Jth时,d不应小于0.1微米。由于DH激光器具有Jth低、ηi高和T0大的优点，为室温下连续激射提供了可能性。
通常的DH激光器采用矩形波导式的谐振腔。图2为V形槽衬底掩埋条形In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器结构示意图。在生长方向(x),由异质结构成波导的界面;在出光方向(y),利用晶体的天然解理面构成F-P谐振腔面;侧向(z)采用条形结构。条形分两类：①增益波导条形,构成波导的侧向材料与有源区的相同，只是在有源区两侧采用隔离技术,让电流只能从中间的窄条有源区流过,由注入载流子产生的受激发射增益来提高有效折射率，从而构成侧向的折射率差。这一类条形有电极条形、平面条形、H+轰击隔离条形等结构。由于增益波导特性随注入电流而变化，因而这类激光器模式特性较不稳定。②折射率波导条形，即在有源区的两侧采用折射率较小的材料。这类条形结构有掩埋条形、脊形波导条形、V型衬底掩埋条形等结构。构成波导的折射率阶跃不随注入电流变化,因而器件性能稳定。只要条宽小于2～5微米,就可获得单基横模。条形结构的条宽相当窄 (一般为 2～15微米),进一步降低了Jth;同时又提供了有源区的横向散热，使结温不致升得太高。采用DH加条形结构的激光器容易获得室温连续激射。Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs 和In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器已实现室温连续激射。其特性可用如下三点表征。①输出光功率 P和输入电流关系：通常Ith为几十毫安;P为5～80毫瓦;ηd为20％～70％。②模式特性:许多重要应用要求激光器以单基横模工作，单基横模的近场分布为单峰。光束发射角大约为10°×50°。多数激光器的光谱有3～5个纵模，谱线半宽为10～25埃。有的激光器具有单纵模特性,其半宽为0.1～2埃。不仅在直流下而且在高频调制下也能保持单纵模的，则称为动态单纵模激光器。谐振腔可采用分布反馈、锁模、外腔、耦合腔或短腔等形式。③退化特性：当激光器的光输入功率超过损伤阈值Pt时, 腔面上的PN结处会出现损伤直至毁坏。在Pt以下，器件性能会随工作时间的增加而逐渐变坏,称为退化。为了保证激光器可靠工作，要求退化率足够低,寿命足够长。对于GaAs/Ga1-xAlxAsDH激光器, 寿命τ和温度T 服从下式关系
式中τ0为常数，EA为失效模式的激活能, k为玻耳兹曼常数，Tj为结温。可采用提高温度加速老化的办法来推算器件的寿命。 某些优级 Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs 和In1-xGaxAsyP1-y/InP DH激光器的外推寿命可以超过一百万小时。为了得到长寿命器件，要尽量降低有源层材料的位错和异质界面的失配位错，减小外延中O2的玷污，减小键合应力以及采用腔面镀保护膜等措施。
DH激光器的中心层是受激光振荡的有源层。根据所需的波长，由公式 (λ的单位为微米, Eg的单位为电子伏)来选取有源层的材料。为了得到高的发光效率,还需要选用直接带隙材料。工艺的关键是生长晶格匹配的异质结及亚微米级的有源薄层。已经研制成功的DH激光器及其对应的激射波长为:Ga1-yAlyAs/Ga1-xAlxAs(0.68～0.91微米)； In1-xGaxAsyP1-y/InP(1.1～1.65微米)；In1-xGaxAsyP1-y/GaAs1-yPy(0.59～0.63微米)；Pb1-xSnxTe/PbTe（6.5～32微米）。尚在研究中的有：GaInAsSb／GsSb；GaInAsSb／InAs；AlGaAsSb／GaSb；AlGaAsSb/InAs;AlGaInAs/InP等(见半导体激光二极管)。
参考书目
H.C.Casey, M.B.Panish, Heterostructure Lasers,Academic Pr.,New York,1978.
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