9.2.3pn結(jié)和異質(zhì)結(jié)電致發(fā)光1．pn結(jié)注入發(fā)光

pn結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶圖如圖10-29(a)所示。如加一正向偏壓，勢壘便降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱。這樣繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由n區(qū)注入p區(qū)，同時空穴由p區(qū)注入到n區(qū)，如圖10-29(b)所示。這些進(jìn)入p區(qū)的電子和進(jìn)入n區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。

在正向偏壓下，pn結(jié)勢壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光(輻射復(fù)合)。

這就是pn結(jié)注入發(fā)光的基本原理。常用的GaAs發(fā)光二極管就是利用GaAspn結(jié)制得的.2．異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光

為了提高少數(shù)載流子的注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。當(dāng)加正向偏壓時，勢壘降低。但由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不等，勢壘是不對稱的。當(dāng)兩者的價帶達(dá)到等高，p區(qū)的空穴由于不存在勢壘，不斷向n區(qū)擴(kuò)散，保證了空穴(少數(shù)載流子)向發(fā)光區(qū)的高注入效率。對于n區(qū)的電子，由于存在勢壘

E(=Eg1

Eg2)，不能從n區(qū)注入p區(qū)。這樣，禁帶較寬的區(qū)域成為注入源(圖中的p區(qū)),而禁帶寬度較小的區(qū)域(圖中n區(qū))成為發(fā)光區(qū)。

此外，異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管中禁帶寬的部分(注入?yún)^(qū))同時可以作為輻射光的透出窗。9.3半導(dǎo)體激光

“激光”,是一種亮度極高，方向性和單色性很好的相干光輻射。除常見的固態(tài)紅寶石激光器及He-Ne氣體激光器外，目前，半導(dǎo)體激光器已成為激光器的重要組成部分。下面簡要討論半導(dǎo)體激光的基本原理和物理過程。

9.3.1自發(fā)輻射和受激輻射

半導(dǎo)體激光，和一般發(fā)光過程相似，是與在特定條件下電子躍遷過程相聯(lián)系的。

與激光發(fā)射有關(guān)的躍遷過程是：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。現(xiàn)用一簡單系統(tǒng)來說明這些過程?？紤]一個電子的兩個能級E1和E2，見圖10-31，E1是基態(tài)，E2是激發(fā)態(tài)。電子在這些能級間的任何躍遷必定伴隨著吸收或發(fā)射頻率為hvl2的光子，而hvl2=E2

E1。這就是吸收和輻射復(fù)合過程。

在常溫下，大部分電子都處于基態(tài)。如有能量為h

l2=E2

E1的光子與電子系統(tǒng)相互作用，則處于基態(tài)的電子吸收光子進(jìn)入激發(fā)態(tài)E2。見圖10-31(a)。

激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，經(jīng)過短時間后，電子必然躍遷回到基態(tài)E1，同時發(fā)射能量為hvl2的光子，見圖10-31(b)。

這種不受外界因素的作用，電子自發(fā)地從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)引起光子發(fā)射過程，稱為自發(fā)輻射。

半導(dǎo)體的自發(fā)輻射壽命，即電子在激發(fā)態(tài)的平均時間，變化很大，典型值為10-9-10-3s，它取決于各種半導(dǎo)體參量如禁帶寬度Eg(直接的或間接的)及復(fù)合中心濃度等。

當(dāng)處于激發(fā)態(tài)E2的電子受到另一個能量也是h

l2的光子作用時，受激電子立刻躍遷到基態(tài)El，并發(fā)射一個能量為h

12的光子。這種在光輻射的刺激下，受激電子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的輻射過程，稱為受激輻射，如圖10-31(c)所示。

自發(fā)輻射和受激輻射是兩種不同的光子發(fā)射過程。自發(fā)輻射中各電子的躍遷都是隨機(jī)的，所產(chǎn)生的光子雖然具有相等的能量h

l2，但這種光輻射的位相和傳播方向等都各不相同。

受激輻射卻不同，它所發(fā)出的光輻射的全部特性(頻率、位相、方向和偏振態(tài)等)同入射光完全相同。另外，自發(fā)輻射過程中，電子從E2態(tài)躍遷到E1態(tài)，伴隨著發(fā)射一個光子；而在受激輻射過程中，一個入射光子h

l2使激發(fā)態(tài)電子從E2態(tài)躍遷到El態(tài)，同時發(fā)射兩個特征相同的光子。9.3.2分布反轉(zhuǎn)

當(dāng)上述的系統(tǒng)處于恒定的輻射場作用下，注入一定頻率

l2的光子流時，能級El及E2間光的吸收和受激輻射是同時存在的，且兩者的躍遷概率相等。但究竟哪一種過程占主導(dǎo)地位，主要取決于能級E1及E2上電子分布情況。

如處在激發(fā)態(tài)E2的電子數(shù)大于處在基態(tài)E1的電子數(shù)，則在光子流h

l2照射下，受激輻射將超過吸收過程。這樣由系統(tǒng)發(fā)射的能量為h

l2的光子數(shù)將大于進(jìn)入系統(tǒng)的同樣能量的光子數(shù)。這種現(xiàn)象稱為光量子放大。

通常把處在激發(fā)態(tài)E2(高能級)的電子數(shù)大于處于基態(tài)E1(低能級)的電子數(shù)的這種反常情況，稱為“分布反轉(zhuǎn)”或“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

要產(chǎn)生激光，必須在系統(tǒng)中造成分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

下面進(jìn)一步討論半導(dǎo)體中形成分布反轉(zhuǎn)的條件。設(shè)在一定溫度T時，系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。應(yīng)用電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級EFn和EFp，則電子占據(jù)導(dǎo)帶或價帶中某一能級E的概率fc(E)和fv(E)分別為

顯然，未被電子占據(jù)的概率分別為[1

fc(E)]和[1

fv(E)]。若用能量h

、能流密度為I(h

)的光子束照射半導(dǎo)體系統(tǒng)，則必然同時引起光吸收和受激輻射過程?，F(xiàn)分別討論輻射率和吸收率。

因?yàn)槭芗ぽ椛涫菍?dǎo)帶中能量為E的電子躍遷到價帶中能量E

h

的空能級的過程，因此，輻射率應(yīng)與導(dǎo)帶上能級密度gc(E)和電子占據(jù)概率fc(E)的乘積成正比，而且還與價帶上能級密度gv(E

h

)和未被電子占據(jù)的概率[1

fv(E

h

)]的乘積成正比。對全部能量積分，可求得總的輻射率Wr為

相反，吸收是價帶中能量為(E

h

)的電子躍遷到能量為E的導(dǎo)帶空能級的過程，用相同的處理，求得總吸收率Wa應(yīng)為顯然，要達(dá)到分布反轉(zhuǎn)(光量子放大)，必須是Wr>Wa.從上兩式得

因?yàn)榇肷鲜降?/p>

此式是本征躍遷時，受激輻射超過吸收的必要條件，也是達(dá)到分布反轉(zhuǎn)的必要條件。這說明，要產(chǎn)生受激輻射，必須使電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級之差大于入射光子能量h

。同時，受激輻射發(fā)射的光子，其能量h

必須是h

≥Eg,所以又有

在分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如有能量為h

的光子束通過半導(dǎo)體，且h

滿足上式，則受激輻射占主導(dǎo)地位，可以得到光量子放大。9.3.3pn結(jié)激光器原理

pn結(jié)激光器，也稱激光二極管，現(xiàn)分析其產(chǎn)生激光的原理。

1．注入機(jī)構(gòu)結(jié)型激光器結(jié)構(gòu)如圖10-33所示。為了實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，p區(qū)及n區(qū)都必須重?fù)诫s，一般達(dá)1018cm-3。

平衡時，費(fèi)米能級位于p區(qū)的價帶及n區(qū)的導(dǎo)帶內(nèi)，如圖10-34(a)所示。當(dāng)加正向偏壓V時，pn結(jié)勢壘降低；n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴。這時，pn結(jié)處于非平衡態(tài)。準(zhǔn)費(fèi)米能級EFn和EFp之間距離為qV，見圖10-34(b).

因pn結(jié)是重?fù)诫s的，平衡時勢壘很高，即使正向偏壓可加大到qV

Eg，也還不足以使勢壘消失。

這時結(jié)面附近出現(xiàn)EFn

EFp>Eg，成為分布反轉(zhuǎn)區(qū)。在這特定區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)帶的電子濃度和價帶的空穴濃度都很高。這一分布反轉(zhuǎn)區(qū)很薄(1

m左右)，卻是激光器的核心部分，稱為“激活區(qū)”。EiEi

下面考慮正向偏壓下的復(fù)合電流jg

可見，要實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，必須由外界輸入能量，使電子不斷激發(fā)到高能級。這種作用稱為載流子的“抽運(yùn)”或“泵浦”。上述pn結(jié)激光器中，利用正向電流輸入能量，這是常用的注入式泵源。此外，電子束或激光等也可作為泵源，使半導(dǎo)體晶體中的電子受激發(fā)，形成分布反轉(zhuǎn)。

2．激光的產(chǎn)生開始時非平衡電子-空穴對自發(fā)地復(fù)合，引起自發(fā)輻射，發(fā)射一定能量的光子。但自發(fā)輻射所發(fā)射的光子，相位各不相同，并向各個方向傳播。大部分光子一旦產(chǎn)生，立刻穿出激活區(qū)；但也有一小部分光子嚴(yán)格地在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，因而相繼引起其他電子-空穴對的受激輻射，產(chǎn)生更多能量相同的光子。

這樣的受激輻射隨著注入電流的增大而逐漸發(fā)展，并逐漸集中到pn結(jié)平面內(nèi)，最后趨于壓倒優(yōu)勢。這時輻射的單色性較好，強(qiáng)度也增大，但其位相仍然是雜亂的，因而還不是相干光。要使受激輻射達(dá)到發(fā)射激光的要求，即達(dá)到強(qiáng)度更大的單色相干光，還必須依靠共振腔的作用，并使注入電流達(dá)到一定的數(shù)值——閾值電流。

(1)共振腔

pn結(jié)激光器中，垂直于結(jié)面的兩個嚴(yán)格平行的晶體解理面形成所謂法布里—珀羅（Fabry-Perot)共振腔。兩個解理面就是共振腔的反射鏡面。

在光頻范圍內(nèi)，只有滿足適當(dāng)?shù)目v向模式的光(通常是為數(shù)不多的模式)能夠出現(xiàn)振蕩．振蕩意味著在每一次往返中光束保持其頻率、幅度、偏振和位相不變（形成駐波）．保持位相不變要求在一次往返中位相延遲為2

的整數(shù)倍，或光程2L為波長

/n的整數(shù)倍：(m=整數(shù))n為半導(dǎo)體折射率、

為真空波長、L為共振腔長度容易求得相鄰縱向模的波長間隔

為

不符合這條件的波逐漸損耗，而滿足上式的一系列特定波長的受激輻射在共振腔內(nèi)形成振蕩。

(2)增益和閾值電流密度

在注入電流的作用下，激活區(qū)內(nèi)受激輻射不斷增強(qiáng)，稱為增益；另一方面，輻射在共振內(nèi)來回反射時，有能量損耗，主要包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。用g和

分別表示單位長度內(nèi)輻射強(qiáng)度的增益和吸收損耗，用I代表輻射強(qiáng)度，則

其中g(shù)稱為增益系數(shù)，

即吸收系數(shù)。

與激光材料的摻雜濃度等有關(guān)；而增益的大小卻取決于注入電流。

當(dāng)電流較小時，增益很??；電流增大，增益也逐漸增大，直到電流增到增益等于全部損耗時，才開始有激光發(fā)射。

增益等于損耗時的注入電流密度稱為閾值電流密度Jth，這時的增益為閾值增益gth。

輻射強(qiáng)度隨增益和損耗分別按指數(shù)規(guī)律增長或衰減：

增益情況損耗情況

容易看出，對于長度為L的腔，初始強(qiáng)度為I0的光在包含兩端面各一次反射在內(nèi)的一次往返中，強(qiáng)度將變?yōu)镮式中R1,R2為兩個端面的反射系數(shù)。則不難證明，達(dá)到閾值情況(I0=I)時可見，

越小，L,

R1,R2越大,

gth越小，Jth也越小.

對于激光器，閾值電流密度Jth和閾值增益gth是重要參數(shù)。要使激光器有效地工作，必須降低閾值，其主要途徑是設(shè)法減少各種損耗。顯然要降低閾值，必須使

小，使反射系數(shù)和腔長增大。因此，作為激光材料，必須選擇完整性好、摻雜濃度適當(dāng)?shù)木w；同時反射面盡可能達(dá)到光學(xué)平面，并使結(jié)面平整，以減少損耗，提高激光發(fā)射效率。對廣泛使用的GaAs激光器，一般摻雜濃度為1018cm-3，共振長度L約為10-2cm。

激光的光譜分布圖10-36是GaAs激光器在77K時，對應(yīng)于不同注入電流的光譜分布。低于閾值電流時，輻射主要是自發(fā)輻射，譜線相當(dāng)寬，見圖10-36(c)。隨著電流增大，受激輻射逐漸增強(qiáng)，譜線變窄。當(dāng)接近閾值電流時，譜線出現(xiàn)一系列峰值，見圖10-36(b)。這說明對應(yīng)于這些峰值的特定波長，發(fā)生較集中的受激輻射。這些特定波長就是共振腔內(nèi)形成的駐波波長，即滿足公式2L=m(

/n)。

電流進(jìn)一步增大，等于或大于閾值電流時，發(fā)生共振，出現(xiàn)譜線很窄且輻射強(qiáng)度驟增的譜線，見圖10-36(a)。這時激光器發(fā)射出強(qiáng)度很大，單色性好(

0.1nm)的相干光，這就是激光。激光波長

0隨溫度增大向長波方向移動，是由于禁帶寬度Eg隨溫度增大而減小。77K時，GaAs激光的波長約為840nm，室溫時約為900nm。

綜上所述，激光的發(fā)射，必須滿足以下三個基本條件：①形成分布反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢；②具有共振腔，以實(shí)現(xiàn)相干光；③至少達(dá)到閾值電流密度，使增益至少等于損耗。

在實(shí)際應(yīng)用中，GaAs同質(zhì)結(jié)激光器閾值電流很大，室溫時達(dá)104-105A/cm2，效率也很低；而且隨著溫度的上升，閾值電流迅速增大。一般只能用作用時間很短的脈沖電流來產(chǎn)生激光，以減少激光器的發(fā)熱。為了降低閾值電流和提高效率，已經(jīng)制成異質(zhì)結(jié)激光器，如GaAs-GaxAl1-xAs激光器。這種激光器，室溫工作時的閾值電流約10

15

103A/cm2。

異質(zhì)結(jié)激光器

單異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)中三層半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、折射率并不相同，如圖9-32所示。在熱平衡狀態(tài)及加正向電壓情況下的能帶如圖9-32(d)、(e)所示。

這種激光器的優(yōu)點(diǎn)是閾值低，效率高。其原因是由于AlGaAs比GaAs具有較寬的禁帶寬度和較低的折射率。一方面在p-GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)處出現(xiàn)了較高的勢壘，使從n-GaAs注入到p-GaAs中的電子受到阻礙，不能繼續(xù)擴(kuò)散到p-AlGaAs中去；和沒有這種勢壘存在時比較，p-GaAs層內(nèi)的電子濃度增大，提高了增益。

另一方面，由于AlGaAs的折射率較GaAs的低，因此限制了光子進(jìn)入到AlGaAs區(qū)，使光受反射而局限在p-GaAs區(qū)內(nèi)，從而減少了周圍非受激區(qū)對光的吸收。此外，p型AlGaAs對來自p-GaAs的發(fā)光吸收系數(shù)小，損耗小。

雙異質(zhì)結(jié)激光器

在1970年制成了雙異質(zhì)結(jié)激光器。這種激光器為四層結(jié)構(gòu)，如圖9-33(a)所示。各層的禁帶寬度和折射率如圖9-33(b)、(c)所示。在熱平衡狀態(tài)和正向電壓下的能帶圖如圖9-33(d)、(e)所示。

p-GaAsn-GaAs

在這種雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)中，由AlGaAs-GaAs界面構(gòu)成了波導(dǎo)的兩個壁。另外由于AlGaAs層的禁帶寬度較大，因此在p-AlGaAs/p-GaAs及n-AlGaAs-p-GaAs兩個異質(zhì)結(jié)的結(jié)面處形成了勢壘，從而增加了p型GaAs層中的電子濃度和空穴濃度。提高了增益。雙異質(zhì)結(jié)激光器比單異質(zhì)結(jié)激光器有更低的閾值電流密度(1000—3000A/cm2)和更高的效率，并有更長的壽命。

異質(zhì)結(jié)激光器的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠很好地實(shí)現(xiàn)載流子限制和光限制：利用異質(zhì)結(jié)所形成的勢壘將注入載流