《半导体激光器》翻译(3)

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InP 1.37 0.82 1.40 0.40 0.23 0.34 0.29 0.19 0.145 0.30-0.33 Pn结 电子束 Pn结、电子束 Pn结 Pn结、电子束、光 Pn结、电子束、光 电子束 电子束、Pn结 Pn结、电子束、光 Pn结、电子束 光 [39] [40], [44],[45],[47] [41] [38],[39],[46],[28][49] [42],[43],[47],[8] [56] [52],[51] [50],[51],[64] [5],[51] [64] [65] InxGa1?xAs 1.5 GaSb InPxAs1?x InAs InSb Te PbS PbTe PbSe HgxCd1?xTe PbxSn1?xTe 0.075-0.19 光 在本文第三部分将会评述目前最先进的砷化镓半导体激光器。据报道所有的其它直接带隙为元素为三族至五族的化合物可以发生受激辐射。这组的最后一个，GaSb是在最近两年才被发表出来的。显然制作半导体的难题是材料问题。元素为III-V族的半导体激光器的性质大致相同。受激辐射通常在能量略微小于能隙的时候发生，也就是说受激跃迁与杂质能级有关。在InSb,GaSb和InAs产生激光时能够观察到能隙是在直接能级到复合能级之间的那部分。

另外一组可以产生激光的化合物是铅盐：PbS,PbS和PbTe。它们也是直接带隙材料。但是它们的极值并不是在布里渊区的中心，而是在区间<111>方向上。磁场对于这些激光器的辐射的影响已经在研究了，且结果显示的是能够使激光发射的原因是导带与价带之间跃迁。这种情况是可以预料到的，因为这些材料具有很高的静电介电常数从而以较低的电离能就可以电离出氢杂质离子。有趣的是，这些材料的Pn结都是通过控制化学计量偏差而不是掺入杂质制造而成的。

唯一还不能用来产生激光的元素半导体元素就是波长为3.4微米的碲元素。II族至

VI的很多元素都可以用来制造产生激光的材料，如ZnS,ZnO,CdS,CdTe,CdSe和

Cd(SxSe1?x)化合物。前面所提到的元素都是通过电子束泵浦来实现激励的，而不是通过

Pn结。至于不用Pn结不是因为Pn结难以构造，而是因为（1）对CdTe来说掺杂浓度无法满足其粒子数反转的条件。（2）CdS在激励电流为4950安的时候产生振荡，是波长最短的激光。在GaSe中发现线性收缩，但是并没有发现更进一步的激光发射迹象。

在几种化合物中也发现存在激光行为，特别是III-V族的化合物，如在表1看到一样。其中一些化合物值得关注。Ga(As1?xPx)化合物（??8400?6500A,0?x?0.5）是制造Pn结波长最短的材料。该化合物的阈值电流密度与GaAs的相当，但是其较低的导热

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性率限制了它潜在用途。CdxHg1?x化合物是制造潜在长波长激光器的材料。用GaAs二级管激光器对该化合物进行光激励，发现了3到15微米的光自发辐射和在3.8微米和4.1微米发现光受激辐射。Cd(SxSe1?x)化合物可以在可见光谱内任何一个波长产生激光行为。该化合物具有高效性（11%）和10W的脉冲输出功率。PbxSn1?x是制造迄今为止波长最长的气体激光器的材料。

3 半导体激光器——最先进技术

在这部分文章中我们将要讨论半导体激光器的性能和最先进技术，尽管现在已经有相当关于其它材料的讨论在进行，但本文主要讨论的是关于GaAs材料的。 3.1 结构造

杂质扩散是制造半导体激光器最常见的方法。在GaAs中，通常是在受体Zn掺杂携带有载流子浓度范围为1017至6?1018的n型基片。杂质扩散的条件是锌离子以每5微秒

2?1020立方厘米的速度快速远离结，然后以较慢的速度2?1020立方厘米到达结表面。结

深范围从2微米至100微米。电容测量表明，净杂质浓度（受主杂质去除提供源）与结的等级是相近的。对于一个典型的在基底有2?1018每立方厘米的电子的激光器，其结的梯度为2?1020cm?4。

因为只是在结的交界处的几微米厚的区域才会有光的受激辐射，所以Pn结的平坦度对于激光的特点来说是非常重要的。观察到结面的平坦度大偏差与基质晶体的缺陷有关。人们还发现在扩散的时候会引入大的变化。

尼尔森使用一种替代方法：外延溶解再生，来制备激光器。在该技术中在GaAs溶液饱和温度时加入Ga或者Sn，可以获得与GaAs相反的晶片。在晶片上进行外延生长的冷却结果是一个Pn结在接触面生成。有些晶片要先溶解先以便获得的结表面是“饱满” 的。因为生长趋向于晶面的（100）方向，所以结的表面很平滑。

曾有过在蒸汽上进行外延生长来制备结激光器。热处理对于提高液体及气体再生激光器的性能大有帮助。

最常用的谐振腔是图（1.4）所示的法布里珀罗结构。垂直于结面的反射端面是有光平面和通过切割或者抛光晶面（110）的平面制作而成。另外的两面通过锯或腐蚀来消除相干影响。由于端面的折射率很高，就没必要涂激光光发射层就可以使激光器正常工作了。但是涂覆层还是有用的，良好的电接触可以使得激光器的顶部和底部的电流都是均匀的，即使非均匀电流使得电流阈值变大。在下一段文章中，将会更加全面的讨论这个问题。

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3.2 阈值电流密度

式（1-10b）对于比较阈值实验值与理论值是否一致是很有用的。?和?可以通过几种实验方法来进行测量。一种比较有效的方法是测量jt与波长的关系。从式（1-10b）可以看出它们是线性关系。图（3.1）显示了由同一晶体制备的激光器在不同波长下的实验数据。正如图所示，它们的具有非常好的线性关系。在温度为4.2oK，

??5.1?10?2cm/A,??13cm?1的条件下发现具有基底的扩散激光器的电子流密度为

5?1018cm?3。由式（1-10a）可知，在v，?v，d和?的值都知道的情况下可以得到?的

理论值。光子的能量hv为1.46eV,?hv的值为0.02eV,?和d的值还没有确定。外部量子效率在温度为20oK下测量值高达0.6。为了得到一个粗略的比较，假设?=1，直接观察到d<5 um,存在干扰时，d值大于1um。假设d为2um，然后代入式（1-9a)得

??0.14cm/A.?的实验值有三个因素影响。

图 3.1阈值电流密度与波长倒数曲线图（T?77oK,R?0.25）

实验发现少重掺杂的二极管（载流子浓度为9?1017cm?3）的?的值约等于0.12cm/A。波长在100至400微米的典型激光器?对阈值的影响小于30%，GaAs激光器在温度为4.2oK的时候电流阈值接近它的理论值。

要计算损耗系数?，就必需解决在两个有损区域间那一很薄的会发生受激辐射出光的区域的电磁问题。为了使?达到实验要求的那么小必需假设一些模式限制或者二极管的波导模式，因为活跃区域的实际折射指数值比其周边区域的要大。指数之所以产生变化是因为自由载流子浓度，波长和结周边产生陡峭吸收的影响。这个问题已经有几个人在研究怎么解决了并且BN和Stern也评述了这一问题。Stern的详细计算表明实验中的亏损可以通过合理选择活跃区域的厚度和指数变化来避免。

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3.3 阈值与温度的关系

图3.1为扩散GaAs的激光器温度与jt关系示意图。高温时，jt与T3有关，低温时，

jt相对稳定。从与T3有关系处起，jt随着载流子浓度的增加而增加。在所有范围内，jt与温度的关系为指数变化。从理论上可以预料这种情况必然发生，因为随着温度都上升，电子分布变成非退化方式，使向上及向下跃迁都发生在有光辐射产生的活跃区域。因此在给定的电流密度下，增益会减少而jt升高。高载流子浓度要在高温下才会有这种现象发生。

为了计算温度与阈值的关系，需要有一个模型来观察粒子跃迁过程。可以从在能带间不断进行粒子数反转，而动量守恒的简单模型得出jt与T的关系。总所周知由于结激光器的杂质浓度的影响，各能带的jt与T简单的抛物线关系将会受到严重的影响。例如，关系曲线将会出现拖尾现象。杂质的存在还会使得动量守恒的条件变的宽松些。拉舍和施特恩在计算温度与阈值关系时注意到了这些问题的其中一部分。在关系曲线的抛物状处他们假设存在带间跃迁，但忽略动量守恒的条件并且假设在导带和价带间所有的能级对的跃迁情况都是一样的。与简单的理论相比，他们获得的实验结果更让人们接受。在假设损耗与温度有关的前提下，他们发现在T1.8与T2.6之间的温度与阈值的关系与损耗程度大小有关系。损耗与低温度的关系使得阈值电流密度与温度的实验数据关系与理论上的关系非常复合。然而有个与事实不符合的情况，那就是他们的计算结果使得增益与电流密度产生非线性关系。（例如，在温度为80oK时，出现近似的g?j2结果）。实验结果表明的是，只有温度在高于300oK的情况下，g与j才成线性关系。实验结果还表明损耗与温度并不存在什么必然的关系，其实阈值与温度的关系大多是由于?值的变化带来的。最近，Stern计算了能带曲线尾部，他发现在高温时增益与电流的关系呈更好的线性关系。

图3.1的结果表明，在高温的情况下不同载流子浓度下的关系曲线大都是相互重合，而在低温下却会有一个数量级的差异。另一方面，在简单的基础下，低温时载流子浓度只是引起阈值相对小的升高是由于线宽需要变宽的原因。这些曲线会在中间温度下交叉，掺杂浓度越多的激光器在室温下其电流阈值将会更低。实验中发现高掺杂晶体的阈值很高，这可能是因为这些晶体的浓度不够高的缺陷造成的。

在室温情况下比普通的扩散激光器的有三个因素影响的阈值低的情况在再生激光器里有了解决的办法。对于再生激光器的阈值来说，激光器有一个较大的与温度无关的区域。在外延气体激光器也有类似的状况，但是效果没有再生激光器的那么好。这种效应的产生都是因为激光器的能带尾更明显造成的。

图3.2表明了在不同的结构上研究空间电流分布对电流阈值的影响的情况。这种结构被称为双异质结，该结构被与结反射端面面的P区的侵蚀通道划分为两部分。控制流经结的电流相对量可以实现对电流分布的控制。从图（3.2）可以看出非均匀电流

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（I1,I2?0或者1）的阈值电流It高于总电流（I1?I2?0.5）的阈值电流。这种情况在温度为2oK下发生。

图 3.2 阈值电流与流过如插图所示的双异结一面的电流分数的曲线图。激光来自反射

端面。T?77oK

令人费解的是，温度为0oK时，四能级的激光器会有这种现象，但是低能级的半导体激光器却不出现这种现象[式（1-4）N1?0]。阈值应该与激光分布无关，因为在激光器不活跃或者少激发的那部分很少发生在激光波长上的吸收的现象。这个理由在激光器上并不成立，事实是因为忽略了自然能级之间连续行。若电流是非均匀的，吸收与光子的受激辐射一样可以在绝对零度下发生，这可以从第一部分我们假设的简单半导体激光器上看出。正如图（1.2）和式（1-7）所示，如果Fc小于hv，那么增益就会为负（吸收为正）。当Fc较小时，结就会存在吸收区域从而导致非均匀辐射的阈值较高。 3.4 工作特性

尽管内量子效应（光子数除以电子空穴对复合数）只有0.5或者再高一点，在阈值一下时二极管激光器只逃逸少量的能量。这是因为大部份的光全部被发射回来和被二极管的不活跃区域所吸收。而且，即使高于阈值，在大部分的温度下外部两字效率只有50%或更少，因此大部分的光线仍留在激光器内。光被吸收所造成的热量损耗和串联电阻的存在是结激光器的工作限制因素。由于半导体激光器的阈值较高和其热导率在温度高于

30o时随温度升高而降低，因此这个问题对于半导体来说，当温度逐渐上升时会变得更

加不可忽视。为了使半导体激光器能连续工作，有效的冷却装置是必不可少的。可以在激光器上贴上冷却金属片，该金属片由低温冷却液来进行冷却。GaAS半导体激光器用液

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