out ( Pout h ) ( I e)
h Eg eVa
out Pout ( IVa )
（7.35）
微分量子效率
D
( P out pth )/ h ( I I th )/ q
(7.36)
(7.37)
For ηi = 100%, L = 300 μm, R1 = R2 = 32%, and αi = 20cm−1, we have ηd = 66%.
7.5 异质结在半导体激光器中的应用
前苏联科学院约飞物理研究所的Alferov等宣布研制成功双异质 结半导体激光器 （HD-LD）。该结构是将p-GaAs半导体有源区夹在宽禁带的nAlGaAs层和p-AlGaAs层之间，使得室温下的阈值电流降低到 4×103A/cm2。双异质结构半导体激光器阈值电流密度之所以能 够明显降低，主要是依靠双异质结的两个作用： （1） 有源区两边包层材料的带隙宽于有源区材料的带隙，这使得注 入双异质结半导体激光器的载流子被有效地限制在有源区内， 以利于产生高的增益； （2） 有源区材料的折射率大于两边包层材料的折射率， 形成的光波导结构能将大部分光限制在有源区内。 双异质结构激光器的问世标志着半导体激光器的发展进入了新 时期。
A quantum well laser is an improved LED. Electrons and holes are kept together inside the semiconductor at the center, which has a smaller gap. That makes it easier for electrons to find holes. It also creates quantized energy levels with a highly-concentrated density of states.
提高外量子效率的途径
1.
2.
3.
4. 5.
提高内量子效率； 尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外的吸 收损耗； 增大限制因子； 减少端面的反射率； 减小腔长。
7.7 量子阱激光器
Conduction band quantum well AlG aAs AlG aAs
GaA s
Valence band quantum well



2 d 2
d
2 Ey ( x, y, z )dx
E ( x, y, z )dx
2 y
（7.29）
对于对称波导来说，上式可 简化为：


d 2 0
d
2
0
2 Ey ( x, y, z )dx
2 2 Ey ( x, y, z )dx d E y ( x, y, z )dx 2
量子阱激光器的光增益-
red的影响
量子阱激光器的基本特征(1)
-发射波长与阱宽
基本特征(2)低阈值
阱宽
腔长根据阱宽的优化
基本特征(3)窄发射光谱
基本特征(4)高特征温度
热效应问题一直是人们关注 的焦点问题 。改善半导体激光器温度特 性是半导体激光器高温、高 功率工作的关键因素之一。 热效应对半导体激光器性能 的这种严重影响, 使人们在研究和改进激光器 件的过程中特别注 意采取各种办法降低热量的 产生或减弱器件对热的敏感 性。所以设计一种具有高特 征温度的激光器是改善半导 体激光器温度特性的重要环 节。
Comparison of the downward scattering of electrons,(in energy increments LO of in a quantum-well heterostructure and in a bulk semiconductor. Carriers injected in a bulk sample (parabolic density of states) at higher energy scatter downward in energy to a lesser density of states, which becomes constraining. Within each subband of a quasi two-dimensional structure, however, the step-like density of states is constant and downward electron scattering is not constrained, making possible phononassisted recombination (e.g., 1-LO) and laser operation
n( x) 3.590 0.710x 0.091x2
7.5.4 布拉格反射作用
29-pairAlN/GaNDBR
多层介质膜的反射率
• 有两种介质，如果其折射率分别为 n1 和 n2 ，并且 n1<n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一 种 介 质 层 的 厚 度 为 /4 ， 即 分 别 为 d1=0/4n1 和 d2=0/4n2。如果这两种介质的层总数为偶数2m时， 则其垂直方向上的反射率为：
h E1c E1v Eg
7.7.3 量子阱增益频谱的特点
gmax=ag(N-Nth) (7.38)
微分增益
要降低阈值电流J th ,最关键的是降低J0 ,也就是介质达到“透明”( g =α) 所需的 注入电流. 图2 中虚线分别是体材料[ (a) 图]和量子阱[ (b) 图]的态密度,体材料的 态密度与E成正比,而量子阱的态密度是常数,呈台阶状. n1 , n2 , n3 是逐渐增加 的注入载流子密度. 随着注入密度的增加,介质的增益也逐渐增加,但量子阱由于它的陡直的态密度, 增加得比体材料快. 因此较小的注入密度就能达到透明所需的增益gth.
nx
( 2 2
1
x 2 mn 3/ 2

h2
)

0
[ E ' ( Ec E )]1/ 2 dE ' 1 exp[( E ' Fc ) / kT ]
(7.25)
x E Eg Eg
n( E ) n nL nx

n n nL nx
(7.26)
Ec 0.318eV
J=Jnomd/i （7.31）
gmax ( J nom J 0 )m (7.32)
1 1 J th [i ln ] 2 L R1R2 1 (7.33)
内量子效率
激光器中注入的电子空穴对在体内复合发出 的光子数的效率：
单位时间内发出的光子 数 i 单位时间内有源区内注 入的电子 空穴对数
ns (n2 n1 ) 1 2 R { } 2m ns (n2 n1 ) 1
2m
• 可以看出: n2/n1的比值越大则越有利于获得高的R。 同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。
7.6 增益和电流的关系，量子效率和增益因子
注入的载流子进入有源层后，因异质结限制作用， 将主要在有源区中，我们引进“名义电流”的 概念： i为内量子效率。
（7.30）
• 光限制因子 与有源层厚度d和光场横向分布有关，后者又与有源层 与限制层的折射率差、光场模的阶次m有关。
• 一般来说，d越大，折射率差n越大，模的阶次 m 越低 光限制 因子 越大。
• 当有源层厚度d很大时， 趋近于1，这表明光场几乎全部约束在有源 层内。
• 对于模式阶数来说，当d一定时，显然 m 越大 便越小。双异质结 的通常 d 小于 0.2m ，为了获得很大的 值，光场就必须以基模（ m=0）的方式工作。
E , E
对电子的限制
电子分布
c ( E Ec ) f c
1 c ( E Ec ) ( 2 )(
2
(7.22)
3/ 2 1/ 2
2 mn h
2

) ( E Ec )
fc
n nL
1 {exp[( E Fc ) / kT ] 1}
( 2 2
1 1 2
1 异质结对电子和空穴的限制
由N区注入到p型有源层的电子将受到pP同型异质结势垒的 限制。阻挡它们向P型限制层内扩散。
同样，pN 异型异质结的空穴势垒限制p型有源层的多数载 流子向N限制区运动。 Ec 0.85 Eg 势垒： c v Ev 0.15 Eg GaAlAs/GaAs 异质结： pP同型异质结势垒高度有Ec 决定。
7.5.1 超注入
1. 实现激光 2. 粒子数反转--3. 实现这种反 转— 载流子注入
需要多高的注入
粒子数反转的要求可以通过重掺实现，但是
利用异质结实现超注入
7.5.2 载流子限制
对于同质结：
* 采用异质结可以限制载流子。 * 限制能力与势垒高度，结温等有关。 * 载流子能量分布
*越过势垒泄漏。
（7.34）
有源层内，由于有杂质、缺陷、界面态和俄 歇复合的存在，都会使部分注入的载流子 不能复合产生光，使得i<1。然而i通常 可达70%左右，因而它有效地将注入载流 子转换为光子。
外量子效率
它度量激光器真正向体外辐射的效率：
out
单位时间内向体外辐射 的光子数 单位时间内有源区中注 入的电子 空穴对数

q (VD Va ) Ec

/ 2 ( Ev E )1 dE 1exp[( Fv E ) / kT ]
(7.28)
p 7.11014 cm3
这些空穴可以漏进N型无源区。
7.5.3 异质结的光限制作用
θc = arc sin(n1/n2) θc = arc sin(n3/n2) 有：n2>n1; n2>n3 光波导---又称光子限定