《异质结原理与器件》
期末论文
题 目异质结理论与半导体激光器的发展现状与趋势 班 级 姓 名 学 号 完成日期 2013年12月9日 成 绩
摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展, 首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程, 第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用, 最终以半导体激光器为例, 展望激光器和异质结技术发展方向。
关键词：异质结，激光器
引言：
半导体的核心是pn 结,pn 结是在一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn 结的两边是用同一种材料做成的, 也称为“ 同质结”。如果结两边是用不同的材料制成, 就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。
一、异质结的发展历程
pn 结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn 结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。然而，随着无线移动通信、GPS 、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn 结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的
注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。
但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代, 随着液相外延(LPE),汽相外延(VPE) ,金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现, 使异质结的生长日趋完善，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展
[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维) 的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。
目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光
LED 、制备异质结发光二极管③制备异质结激光器④制备太阳能电池⑤超晶格和多量子阱器件[3]。尤其是量子阱超晶格器件由于它优异的性能成为了目前半导体器件的研究热点。
量子阱超晶格中存在的二维电子气具有许多重要的性质。首先电子在二维电子气中有很高的迁移率，可以制作性能优良的超高频、超高速场效应晶体管——HEMT （又称为MODFET ）。
此外，二维电子气即使在极低温度下都不会复合消失。因为提供这些二维电子气的电离杂质中心都是处在异质结的另一侧的，这就是说，在空间上自由电子与电离杂质中心是分离开来的，所以，当温度降低时，这些电子也无法回到杂质中心上去，从而在极低温度下它们也不会消失，能够正常工作。这就为低温电子学的研究与发展提供了器件基础。
二维电子气还具有许多奇特的性质。例如，在低温下利用MOSFET 来测量沟道中二维电子气的Hall 效应时，发现器件的霍尔电导是一系列量子化的数值（称为整数量子霍尔效应）。又如，在更低温度下利用HEMT 来测量异质结沟道中二维电子气的霍尔效应时，发现霍尔电导是一系列更为特殊的量子化数值（称为分数量子霍尔效应）。这些量子效应都是二维电子气在低温下所呈现出来的一些奇特的性质
[5]。
超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功, 彻底改变了光电器件的设计思想, 。半导体器件的设计与制造从过去的“杂质工程”发展到“能带工程”, 出现了以“光电特性可剪裁”
的新时期, 进入了以量子效应和低维结构为标志的新时代。目前主要应用在带隙工程，激光器，红外探测器，光学双稳态器件，高速场效应器件等方面[6]。
二、半导体激光器的发展与应用
半导体激光器的发展历程
第一个阶段是随着半导体物理的发展， 1962年以美国的三个研究小组几乎同时宣布观察到同质结GaAs 的pn 结中的受激辐射现象，这标志着半导体激光器的诞生，半导体激光器时代从此开始。同年美国研制成功GaAs 同质结半导体激光器为开端，即同质结构注入型激光器。这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级) ，阈值电流密度需达到105A ／cm 2，因此只能在液氮温度(77K)下和脉冲状态下工作，这也是同质结半导体激光器的致命缺点。因此这只是半导体激光器的雏形，但其对以后半导体激光器在结构设计、性能检测及激光输出特性等方面上的发展指明了方向[7]。
半导体激光器发展的第二阶段是单异质结构半导体激光器, 它是由两种不同带隙的半导体材料薄层, 如GaAs , AlGaAs 所组成, 最先出现的是单异质结构激光器。阀值电流密度比同质结激光器降低了一个数量级, 但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。如图1 (a)所示，这种单异质结激光器的结构是在GaAs 的pn 结的P 型GaAs 一侧上再生长一层P 型AlGaAs 半导体的三层结构。这三层半导体材料的禁带宽度、折射率并不相同，如图1 (b)、(c)所示。在热平衡状态
及加正向电压情况下的能带如图 1(d)、(e)所示。这种激光器的优点是阈值低，效率高。其原因是由于AlGaAs 比GaAs 具有较宽的禁带宽度和较低的折射率。由于AlGaAs 的禁带宽度比GaAs 的大，一方面在P 型GaAs —AlGaAs 异质结处出现了较高的势垒，使从n 型GaAs 注入到P 型GaAs 中的电子受到阻碍，不能继续扩散到P 型AlGaAs 中去；和没有这种势垒存在时比较，p-GaAs 层内的电子浓度增大，提高了增益。另一方面，P 型AlGaAs 对来自P 型GaAs 的发光吸收系数小，损耗就小。而由于AlGaAs 的折射率较GaAs 的低，因此限制了光子进入到AlGaAs 区，使光受反射而局限在P 区内，从而减少了周围非受激区对光的吸收。单异质结激光器的阈值电流密度目前一般为(10～
15) ×103A ／cm 2，比GaAs 同质结激光器的阈值电流密度(10～100) ×103A ／cm 2低[11]。
图1
第三阶段是以人们发明了激光波长为9 000Å 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs( 砷化稼一稼铝砷) 激光器为代表. 双异质结激光器(DHL) 的诞生使可用波段不断拓宽, 线宽和调谐性能逐步提高, 其结构的特点是在p 型和n 型材料之间生长了仅有0. 2μm 厚的, 不掺杂的, 具有较窄能隙材料的一个薄层, 因此注入的载流子被限制在该区域内(有源区) ,因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中, 目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管激光器。这种激光器为四层结构，即n 型砷化镓衬底和三层外延生长层：n 型Al x -Ga 1-x -As 层，其x 值范围为0．1～0．5；P 型砷化镓(也可以是n 型砷化镓) ，P 型Al x -Ga 1-x -As ，如图2 (a)所示。各层的禁带宽度和折射率如图
2(b)、(c)所示。在热平衡状态和正向电压下的能带图如图2 (d)、(e)所示。在这种双异质结激光器结构中，由AlGaAs —GaAs 界面构成了波导的两个壁。由于P 型AIGaAs 层的折射率低于P 型GaAs 层，从而限制了光子进入AlGaAs 层，降低了周围非受激区对光的吸收。另外由于AlGaAs 层的禁带宽度较大，因此在p-pGaAs —AlGaAs 及n-pAlGaAs —GaAs 两个异质结的结面处形成了势垒，使从n 型AIGaAs 注入到P 型GaAs 中的电子受到阻碍，不能进入P 型AlGaAs 层中去，从而增加了P 型GaAs 层中的电子浓度，提高了增益。由于在n 型AlGaAs 与P 型GaAs 间的势垒避免了单异质结激光器存在的空穴注入现象，所以双异质结激光器比单异质结激光器有更低的阈值电流密度(1000～3000A ／cm 2) 和更高的效率，并将有更长的寿命[8]。
图2
在1978 年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL) ,它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能，标志着半导体激光器的发展进入了第四阶段。后来, 又由于MOCVD 、MBE 生长技术的成熟, 能生长出高质量超精细薄层材料, 之后, 便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器, 量子阱半导体激光器与双异质结(DH) 激光器相比, 具有阈值电流低、输出功率高, 频率响应好, 光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。QWL 在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100Å的势阱所组成, 由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长, 产生了量子效应, 连续的能带分裂为子能级, 因此, 特别有利于载流子的有效填充, 所需要的激射阈值电流特别低。目前量子阱激光器结构主要是单、多量子阱, 单量子阱(SQW) 激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度
做成数十纳米以下的一种激光器, 通常把势垒较厚以至于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW)。量子阱激光器单个输出功率现已大于1W ,承受的功率密度已达10MW/ cm3 以上。而为了得到更大的输出功率, 通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。 因此, 量子阱激光器当采用阵列式集成结构时, 输出功率则可达到100W 以上[9]
。
半导体激光器的应用
在军事方面
半导体激光雷达：
半导体激光雷达与被动探测(红外系统) 相结合而有了多种成像功能, 包括强度成像、距离成像和速度成像。同时。具有先进的实时图像处理功能，包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。非扫描成像半导体激光雷达能同时进行被动强度成像(即不用激光照
射时的成像) 和主动强度成像(即主动照明时的成像) ,还可进行强度成像和速度成像。而且由于焦平面阵列器件的采用使各种成像的速率都非常高。这就为先进的实时图像处理提供了先决条件, 这也是扫描半导体激光雷达所达不到的。
半导体激光制导:
可以通过为远程光纤制导导弹设计的光纤释放系统在远距离进行操作或者通过驾束制导, 又称激光波束制导, 由制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束, 并将光束中心线对准目标。
半导体激光测距:
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的1/5 到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
在国民经济方面
激光微细加工:
借助于Q 开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲, 可对集成电路进行切割、打孔等。
激光报警器:
半导体激光报警器的用途甚广, 包括防盗报警、水位报警、车距报警等等。
激光打印机:
高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。
激光条码扫描器:
半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售, 以及图书和档案的管理。
泵浦固体激光器:
这是高功率半导体激光器的一个重要应用, 采用它来取代原来的氙灯, 可以构成全固态激光系统。
高清晰度激光电视:
不久的将来, 没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场, 它利用红、蓝、绿三色激光, 估计其耗电量比现有电视机低20 %。 光纤通讯:
半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源，而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。
光集成信息存储:
半导体激光已经用于光盘存储器, 人们采用短激光波长读出光盘的内容，其最大优点是存储的声音、文字和图像信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密度。
信息处理:
表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源，且用于光计算机和神经网络中。
在医疗方面
激光手术治疗:
半导体激光已经用于软组织切除, 组织接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等, 均广泛地采用了这项技术。
激光动力学治疗:
将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内, 通过半导体激光照射, 使癌组织产生活性氧, 旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。
生命科学研究:
使用半导体激光的“光镊”, 可以扑捉活细胞或染色体并移至任意位置, 已经用于促进细胞合成, 细胞相互作用等研究, 还可以作为法医取证的诊断技术[10]。
此外，半导体激光器还运用在环境检测中。在环境检测中，远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析, 通过分析光谱来分析环境气体，从而监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程[10]。
三、异质结以及半导体激光器的发展方向
纵观半导体激光器的发展历程，历经40余年，器件结构由早期的同质结，经历了单异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级联的单极性结构，都是为了满
足信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD 、大功率LD ，短波长LD ，中红外LD 等方面发展。而量子阱、量子点结构的激光器基本满足未来激光器发展的要求。
（1）量子级联激光器的大大简化了在中红外到远红外这样宽波长范围内产生特定波长激光的途径。它只用同一种材料, 根据层的厚度不同就能得到上述波长范围内的各种波长的激光。同传统半导体激光器相比, 这种激光器不需冷却系统, 可以在室温下稳定操作。
（2）量子阱器件为我们提供阶梯状的能态分布，载流子注入效率大为提高，器件增益比常规激光器提高了数倍甚至一个数量级，从而设计制造出了阈值电流为亚毫安、甚至为微安量级的激光二极管，其单模工作和温度特性也获得重大改进，这类器件的外微分量子效率高达80％，由此推算出内量子效率目接近100％，为大功率器件的发展提供了很好的基础。
由此可以看出，量子阱、量子点结构已经成为各类激光器件(包括光通信用的长波长激光器、光盘用的可见光激光器、固体激光器用的抽运光源等) 的核心，成为未来激光器发展的趋势。而异质结的超晶格，量子阱、量子线和量子点的研究由于其独特的物理特性为我们提供了一种合成新材料、制作高性能器件的异质结半导体技术, 而异质结技术将在半导体器件、光电子器件、集成光学和集成电路领域内得到广泛地应用，在未来的半导体物理、固体物理以至整个世界科技的发展中, 都会发挥越来越大的作用。
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