1、jIJl!lpJ/IJI,LPJ/JrIJilj/r/,/JrJtJ llJijlllrllJIY 1 5 3 2 0 2 3天津大學博士學位論文半導體激光器光電特性的研究PHOTOELECTRICCHARACTERISTICRESEARCHOFSEMICONDUCTORLASERS（申請工學博士學位）指導教師：姜星丞教援王疊達夔握天津大學理學院現代材料物理研究所2007年10月摘要摘要半導體激光器是目前應用最廣泛的器件之一，其電學和光學特性一直倍受關 注。然而，一直以來都缺乏表征激光器電學特性的精確方法。本文采用自建的正向交流小信號結合直流1.V特性的新方法對半導體激光器 的電學特性進行了精

2、確表征。首次發現多量子阱激光器的電特性在激射闋值處都會 發生突變，特別是結電壓，并不像原先想象的在閾值處立即達到飽和，而是發生可 觀的跳躍后達到飽和。這種不連續是傳統激光器理論難以解釋的，應屬激光物理學 的重要進展，它實際表現為遠離平衡態相變對應的對稱破缺。與此同時，串聯電阻 和理想化因子在閾值處也分別表現出明顯的下沉和上跳，串聯電阻和理想化因子也 并非傳統理論所認為的常數，而是隨電流變化，小電流下這種非線性變化關系尤為 明顯。為了對比不同類型半導體器件的電學特性，作者對文獻報道的AloGa l0;As.GaAs條形雙異質結激光二極管和不同來源的發光二極管的電學特 性做了深入研究，研究結果表明

3、：1）雙異質結激光器的各電學參量在閾值處也都 表現出明顯的不連續，其結果完全類似于測量的量子阱激光器；2）發光二極管的 各電學參量并沒有表現出突變，這說明激射發光是導致激光器電學特性在閾值處表 現出不連續的原因，同時還觀察到了發光二極管結電壓的完全飽和、理想化因子和 串聯電阻的菲線性。通過以上研究，作者還給出了最簡便和精確地確定半導體激光 器閾值的新方法和發展了發光二極管的電學特性評價方法。目前，我們對激光器閾值附近物理特性的不連續在理論上作了深入地研究。首 先，在對其合理性和自恰性分析后，作者認為激光器閾值附近物理特性的突變是激 光器激射發光的個必然結果。其次，利用耗散結構理論對結電壓跳躍給

4、出了合理 的解釋，并根據結電壓在閾值處的跳躍幅度對載流子濃度的變化量進行了估算。最 后，根據哈肯（HakenH ）的協同學理論，從相變角度詳細地討論了激光器 閾值附近的躍變現象。對于光泵浦激光器，哈肯將其作為二級相變，而涉及到電 子、空穴和光子三種載流子的復雜半導體激光器系統，我們認為在某種程度上可能 對應著一級相變。關鍵詞：半導體激光器；正向交流小信號結合直流z，v特性（Ac./V）；結電壓；突變；激射閾值ABSTRACTABSTRACTThestudyonelectricalcharacteristicsofsemiconductordiodeshasbeenavaluablesubjec

5、t.However,inthepastyears,anaccuratem ethodtodetermineelectricalcharacteristicsofadiodeatforwardbiasvoltagedidnotexist.Inrecentyears,ourgroupfou ndthattheforwardalternating current(ac)beha vior,involvingbothrealandimaginarypartsofadmittanceatdifferentfrequencies,canprovidemoreinformationofdiodes.Thus

6、wedevelope danewmethodbasedonacmeasurementstogetherwithadirect current(dc)I.Vplottoaccurat elycharacterizetheelectricalbehavior ofasemiconductordiode.Usingthismetho d,theaccurateforwardelectricalbehaviorofmulti.quantum.welllaserdiodes(MQWLDslhasbeencharacterized.lllesynchronousstepoffsetsofvariousel

7、e ctricalcharacteristicsattheonsetoflasingwereobservedandcharacterized.Inp articular,thejunctionvoltagejumpsabruptlytoasaturatedvaluejustatlasingth reshold.Noneofthephenomenacanbeexplainedbyexistingtheoriesaboutsemicondu ctorlaser.Allthesuddenchangescorrespondtobrokensymmetry,inotherwords,the laseri

8、sinanew,highlyorderedstateonamacrosco picscale.Furthermore,ajumpofidealityfactorandadropofresistanceinmagnitud eatlasingthresholdwereobserved;accordingtothetraditionaltheory,theideali tyfactorandresistanceareconstants,butactuallytheyarenonlinear,especiallyatlowcurrentthisnonlinearityisobvi ous.Allth

9、esepropertiescannotbecharacterizedbyconventionalmethods.Inordertocomparethecharact eristicsofdifferentsemiconductordevices,thepropertiesofAlx(、alxAs GaAss tripDouble Heterostructure(DH)lasersandlight emiRingdiodes(LEDs)werechar acterize & SimilartoMQWLDs,allelectricalparametersofDHLDsshowdiscont

10、inuity atlasingthreshold;however,allelectricalparametersofLEDsvarycontinuouslyw ithincreasingcurrent,whichdisplaysthatlasingisareasonofdiscontinuityofel ectricalparametersofLDs.Completesaturationofjunctionvoltageandnonlineari tiesofidealityfactorandresistanceofLEDswerealsoobserved.Fromtheaboveresear

11、ch,aconvenientandacc uratemethodforconfirminglasingthresh oldandanewevoluationmethodofelectricalcharacteristicsofLEDsarepresented.Atpresent,thesuddenchangesofpropertiesofLDsattheonsetoflasingwerestudiedtheoretically.First,afteran alyzingtherationalityofdiscontinuity ofelectricalnparametersofLDs,weco

12、nfirmedthatthe discontinuityofelectricalparametersattheonsetof lasingisanecessaryresultoflasing.Second,thejumpofjunctionvoltageatthresh oldcouldbeexplainedfromtheoryofdissipationstructure,andthechangescopeofc oncentrationofcarrieswascalculatedfromthevariationalvalueofjunctionvoltageatthreshold.Final

13、ly,thesudd enchangesofelectricalcharacteristicsofLDsat thresholdwerediscussedusingtheoryofphasetransition.Whenstudyingthetransitionregionlamplaser,HakenH.concludedthatthelasershowsthefeaturesofasec ond.orderphasetransition.However,ane lectricalinjectionsemiconductorlaserinvolvi ngcarriersofelectrona

14、ndholeaswellasphotonsiSafarmorecomplexsy stemthanalightpumpinglaser.Soauthort houghtthatsemiconductorlasermayshowthefe aturesofafirst.orderphasetransitionundercertaincondition.KEYWORDS:semiconductorlaser;forwar dacbehaviorcombinedwithl Vcharacteristics(ACW);junctionvoltage;suddench ange;onsetoflasin

15、g;In六埠滅字礙士字位論文獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫 過的研究成果，也不包含為獲得丞鲞盤堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明 并表示了謝意。黼繇馮到嵴黼期：學位論文版權使用授權書舭月Z多日本學位論文作者完全了解基鲞叁堂有關保留、使用學位論文的規定。特授權墨 鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，并采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關

16、部門或機 構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）一虢馮到奪撕飆葉仇）2扣導師簽名：善縣故簽字日期：多，匸年，月叩日7/ f第一章半導體激光器的發展歷程與現狀第一章導言當前人類正進入信息和智能化的時代，這是微電子技術、光電子技術、通信技 術、計算機科學與技術以及自動化、精密機械等科學技術綜合發展的結果。其中光 電子技術起著十分重要的作用，并已成為世界各發達國家竟相發展的高新技術的重 要組成部分。20世紀60年代以來，隨著激光的問世，人們對光與物質相互作用 過程的研究空前活躍，逐步形成了激光物理學、半導體光電子學、導波光學、非線 性光學等一系列新學科分支。70年代以來，

17、由于光導纖維技術和半導體激光器的 重要突破，導致以光纖通信、光纖傳感、光信息存儲、光信息處理與顯示等為代表 的光信息技術的蓬勃發展，并取得日益廣泛的應用。同時，各學科間的相互滲透及 交叉又形成了一些新的邊緣學科，促進了對半導體激光器工作原理的深入理解，并 推動它取得進一步的發展。1.1半導體激光器的發展歷史半導體激光器是利用半導體材料中的電子光躍遷引起光子受激發射而產生的光 振蕩器和光放大器的總稱。它的出現和發展是許多研究工作者共同智慧的結晶，早 在1 9 5 3年9月美國的馮？紐曼（JohnVonNeuman n）在他一篇未 發表的論文手稿中第一個論述了在半導體中產生受激發射的可能性，認為可

18、以通過PN結注入少數載流子來實現受激發射，并計算了在兩個布里淵區之間的輻射躍遷 速率。巴丁（EardeenJ .）在總結馮？紐曼關于半導體激光器的基本理論 后認為，通過各種方法（例如向PN結注入少數載流子）擾動導帶電子和價帶空穴 的平衡濃度，致使非平衡少數載流子復合而產生光子，其輻射復合速率可以像放大 器那樣，以同樣頻率的電磁輻射作用來提高，這應該說是激光器的最早概念，比戈 登和湯斯所報告的微波量子放大器的概念還要早一年。自1 95 8年Schawlow.Towncs建立了激光器的基本理論11 1,1 9 6 0年證實紅寶石激光器和He.Ne激光器能產生激射后，人們就對半 導體激光器進行了初期

19、的研討【2】。1962年在最早的半導體激光器中觀察到 了低溫脈沖激射【3川，此后八年內半導體激光器得到了飛速發展5捌。在這八 年時期內，廣大研究者主要圍繞著半導體激光器的三個問題作了深入地研究：1）使用什么樣的半導體材料來得到高效率的受激光發射；2）如何形成光學諧振腔；3）如何檢驗是否產生激光輸出和如何評價半導體激光器的輸出特性。盡管此時 第一代”半導體激光器均為同第一章半導體激光器的發展歷程與現狀質結構，只能在液氦溫度下脈沖工作而毫無使用價值，但為激光器以后的發展 奠定了堅實的基礎。終于在1 9 7 0年，實現了激光波長為9 0 0 0 A，室溫連續 工作的雙異質結GaAs.GaAIAs（砷

20、化鎵一鎵鋁砷）激光器30 3 3。經過三十幾年的努力，由于MEE和MOCVD技術的成就【34巧11，人 們對半導體薄膜材料實現精確控制生長己成為可能，這使得半導體激光器的研制取 得了顯著進展，半導體激光器也成為了典型的光電子器件。在結構上，采用了分布 反饋型（DFB）、分布布拉格反射型（DBR）結構及二維量子阱結構以后15 25 7，半導體激光器的性能迅速提高，迅速達到了實用化水平。在19 9 6.1 9 9 8年間，日本日亞公司將GaN基量子阱LD發光溫度提高到了室溫， 實現了GaN基量子阱LD在室溫下的長壽命連續發光1 5 86 2】，這使得寬 禁帶半導體激光器的應用也成為可能，極大地推動

21、了激光器的發展。二維量子阱激光器所帶來的巨大成功促使實驗研究人員繼續在更多維度上對電 子運動進行限制，開展了量子線及量子點的實驗研究。其實早在19 9 4年，Ki rstaedterN.和LedentsovN.N.就報道了世界上第一只邊 發射的自組織量子點激光器16 3 1。他們將單層InGaAS/GaAs自組織 量子點插入梯度折射率分別限制異質結構量子阱激光器結構中，代替原來的量子阱 充當有源介質，實現了7 7K溫度下120A/cm2的低閾值電流密度。199 4年以來，量子點激光器領域更是取得了突飛猛進的發展，其低閾值電流密度、優 良的熱穩定性等各種迷人的優點吸引了越來越多的實驗室和科研單位

22、進入到這個領 域。最近，量子線和量子點激光器的研制已經取得了巨大成就6 47 5】。實際上，縱觀激光器的發展歷史可以看出，從2 0世紀7 0年代末開始，半導 體激光器是明顯向著兩個方向發展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器17 6.80;另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體激光器等 應用的推動下，高功率半導體激光器（連續輸出功率在10 0mW以上，脈沖輸出 功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體激光器）在2 0世紀9 0年代取得了突 破性進展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導 體激光器已經商品化， 國內樣品器件輸出功率已達到600W【8卜8 3

23、J。如果 從激光波段被擴展的角度來看，先是紅外半導體激光器，接著是6 7 0 rim紅光 半導體激光器大量進入應用，最近，波長為3 0 0 nm量級的紫光乃至紫外光半導 體激光器，也在加緊研制中8錨7 1。當前，短波長LD的研制已成為各國信息 領域競爭的焦點。1.2半導體激光器的基本原理與器件結構以半導體激光器中最 具有代表性的GaAs半導體激光器為例來說明半導體激第一章半導體激光器的發展歷程與現狀光器的基本原理與構造。最初實現激射的注入型激光器是由單一結晶材料Ga As制成的PN結，即同質結構二極管。為了滿足激射條件需要非常大的注入電流 密度(50km/cm2)，因此只限于低溫脈沖振蕩。圖1

24、1雙異質結構激光器含光軸方向的截面圖為了獲得室溫連續激射等實用性能，隨后開發的是單異質結和雙異質結結構(doubleheterostructure,DH)激光器。圖1.1是雙 異質結構激光器含光軸方向的截面圖。有源層GaAs的厚度約為0.1岬， 兩側 被A1GaAs層包覆著， 形成兩個不同材料間的結， 而A1GaAs的帶隙能量 比GaAs的大，AIGaAs層稱為包覆層，兩側的包覆層分別摻雜形成P型與N型。這種DH結構具有兩種極有效的功能，能夠降低激光器的必要工作電流。第一 種功能是限制載流子，由于帶隙能量的不同而形成電子勢壘，注入的載流子不會從 結處散開，而是以很高的密度被限制在有源區內，因此

25、以比較小的注入電流密度(約lkA,/cm2)就能夠得到光放大所必須的反轉分布。第二種功能是光波 導功能。因為包覆層的帶隙能量大，對于在有源區被放大的光幾乎是透明的。由于 包覆層的折射率比有源層的折射率小，因此光在包覆層與有源層的邊界處被全反 射，所以光波被限制在折射率大的有源層內，沿著有源層面的方向傳播。此光波的 傳播形態稱為波導模。與其它激光器相同，為了實現產生相干光的振蕩器，即使是 半導體激光器也必須在光放大器上加反饋。這很容易實現，將半導體晶體做成的D H結構與襯底一起劈開，形成一對與有源層垂直的端面。這個半導體與空氣的邊界 對于波導模的光波成為反射面，起著反饋的作用。稱這種結構的激光器

26、為法布 里.珀羅(FP)型激光器。光波在這個結構內邊放大邊往復，設端面鏡的反射率 為R、間隔為L,波導模往復一次后強度與原來相同的條件是R2cxp2（Fg%。）三】=1, （l l）r為波導模向包覆層的 減低系數、g為放大增益系數、口h為其它原因引起的光波衰減系數，則實際DH結構的有效增益系數為rg一%0。次往復后與原來的波具有相同位相的條件 是第一章半導體激光器的發展歷程與現狀2L = m2、（五=2cnH/NoCO）,（12）允為諧振波長、托有 效折射率、m為任意整數，如果某個諧振波長的有效增益滿足式（1.1）,當注 入電流增加時，光功率則在諧振器積蓄、維持，并且通過端面鏡向外輸出，這就是

27、 激光振蕩。這個光波只具有諧振波長的成分，是相干光。式（1.1）和（1- 2）是發生激射的條件。滿足此條件獲得增益的必要電流值稱為閾值電流。通常激光光波的形態可分為橫模與縱模。在垂直于光軸的截面內橫模的光強分 布是由半導體激光器的波導結構決定的，若橫模既復雜又不穩定，則輸出光的空間 相干性變差。而縱模在諧振器傳播方向上是駐波分布。各縱模與（卜2）式中的整 數m的各值相對應，并且構成每個都稍有不同的波長成分。很多的縱模同時進行激 射或者存在模間變化，所以不能獲得很高的時間上的相干性。圖1.1所示的最簡單的DH結構FP型激光器是在結晶面全面的注入電流，被稱為寬面激光器。這個激光器有制作容易，能夠得

28、到高輸出的優點。，目前，應 用較廣泛的是多量子阱結構的激光器。上述DH結構激光器的有源層厚度（約10 Onm）比電子波長大得多，有源層內的載流子可以作為粒子 來處理。當有源層厚度在10nln以下時，這個厚度與電子波波長成為同一數量 級的值，載流子波動性的量子論特性就顯示出來。有源層與周圍的包覆層形成寬度 很窄的阱狀勢壘，電子和空穴作為滿足薛定諤方程式與邊界條件的波動被限制在這 個量子阱中 （QW）， 結果有效帶隙寬度變大，狀態密度函數發生突變，出現了與DH結構不同的增益頻譜和偏振關系，因此適當的設計量子阱，能夠在激光器的高 性上實現有效的發光特性。事實證明，具有量子阱結構的激光器，能夠降低閾值

29、電 流、擴大調制帶寬、降低噪聲、提高頻譜純度等顯著的效果。1.3半導體激光器材料研究進展半導體激光器性能的優劣很大程度上由其材料性能所決定，為了得到更實用的 半導體激光器，人們一直在探索新型的半導體材料。通常把1 9 6 2年GaAs半 導體（激光二極管LD）的問世作為半導體光電子學的開端，由此推動了半導體光 電子材料及器件的研究開發18 8丨。半導體激光器的激射波長取決于材料的帶 隙，并且只有具有直接帶隙的材料才能產生激射，它可使（電）注入的電子.空穴 直接發生輻射復合，從而得到較高的電光轉換效率，并且能夠提供足夠大的光增益 而達到激光閾值。化合物半導體材料，尤其是目前實用化的E.V族化合物

30、半導體及其某些固溶 體材料大都是直接帶隙，也是目前最重要的、最成熟的激光二極管材料，如：4第一章半導體激光器的發展歷程與現狀AIGaAS/GaAsGalnAsP/InP等。I I.W族、W.W族化合物激光二極管材料，其激射波長覆蓋范圍很大，可由紫外區到遠紅外區。在2 0世紀6 0.7 0年代，以GaAs基材料為主；80年代以后轉向以InP和GaN基材料為主。雖然第一只藍光激光二極管是用ZnSe材料制成的，但GaN基紫、藍、綠光激光二極管材料發展地更快；目前已成為研制短波長半導體激光 器的重要材料，并已研制出壽命達1 0 4h的GaN基紫色、藍色激光二極管。發射波長為6 6 0 nm的GalnA

31、sP/InP激光二極管是最先取得突破 的可見光激光二極管，1 98 5年就已制出室溫下連續工作的這種激光二極管。近 紅外波段（1.3岬1.55岬）的激光二極管是光纖通信系統中的關鍵元件。 與lnP晶格匹配的異質結GalnAsP/InP、GalnAs/InP激光 二極管正好覆蓋了1.3lam和1 .55lai n這兩個重要的光纖通信窗12 1?，F已制出發射波長3.5岬5grn、8岬19岬的InP基GalnAs/InAIAs量子級阱激光器，完全覆蓋了3.5岬5grn、8岬12岬這兩個重要的大氣窗口GaN可與AIN、InN形成連續固溶體。隨固溶體中I n、Ga、N組分 的不同，1 nGaN的帶隙所對

32、應的能量可發射綠、藍、紫光，而可用做短波長激 光二極管的有源材料。1 9 9 3年日本日亞公司首先研制成功I nGaN/AIGaN雙異質結高亮度發光二極管， 有力推動了藍光半導體激光器的研究【8 9 1。1 9 9 6年該公司成功研制出室溫下發射波長4 17rim的I nGaN多量子阱 激光器19 0。ZnO材料作為一種多用途的半導體材料，一直受到學術界的廣泛關注。自1 99 7年發現ZnO薄膜的室溫紫外光發射【91】以來，Zn O很快成為繼Ga N之后的短波長半導體發光材料的又一研究熱點Zn O屬直接帶隙半導體材料， 其物理、化學性質穩定，低溫禁帶寬度約為3.44ev，與GaN(3.5e v

33、)6H-SlC(3.0ev)和ZnSe(2.9ev )相當，并且ZnO在某些方面有著比GaN等更優越的性能：1.自由激子束縛能為60mev，而GaN為26mev，ZnSe為20mev，具有較大的激子束縛能意味著在室 溫或更高的溫度下就可實現激子光輻射，這將大大提高發光器件的效率；2.具有 更大的飽和速度f 9 2】；3.更強的抗輻射性1 9 3,9 4 ，也就更適用于高 空作業；4.原料易得，易于生長，外延生長可在40 0 uC以下進行，襯底也較 易選擇，這將會在很大程度上降低制造成本，也就有更強的市場競爭力。由于具有 以上特點，ZnO材料也可用于某些GaN所應用的領域，如制造短波長(藍/紫

34、外)發光器件和光電探測器件，大功率、高速度的電子器件等。剛生成的ZnO材料，其導電類型都是N型的，電子濃度高達1 017cm.3，這給合成P型材料帶來很大困難，然而P型材料對發光器件至關重要。并 且在重摻雜的N型ZnO材料中隨載流子濃度增加會相應出現一些現象：吸收邊出 現藍移(即光學帶隙增寬的Bursteln.Moss效應)1 9 5,9 6 ;吸收邊大于發光譜峰值的Stokes第一章半導體激光器的發展歷程與現狀shift現象；載流子濃度達到莫特臨界濃度時，半導體就轉變為導體【9 71,如載流子濃度繼續增加，吸收邊又會出現紅移。由于電子填充能帶要遵循泡 利不相容原理，在導帶底部較低的能級被填滿

35、后，光照等原因只能激發較高能量的 電子來填充較高的能級。因而在重摻雜時，隨載流子濃度的增加，會出現吸收邊藍 移的光學帶隙增寬現象。輻射躍遷是載流子馳豫后由導帶底或施主雜質帶向價帶躍 遷，與吸收躍遷相比，輻射躍遷的能量改變較小，因而會出現Stokesshi ft現象。與光學帶隙增寬相競爭的機制有載流子定域化和帶隙重整化。隨摻雜濃 度增加，雜質的隨機分布使格點的周期性勢場分布產生波動，使載流子定域化，導 致帶尾態的出現。隨載流子濃度增加，相同載流子間的交換相互作用和庫侖相互作 用增強，使電子或空穴在各自能帶中的能量降低，導致帶隙減小，即出現帶隙重整 化現象。當載流子濃度達到莫特臨界濃度時，載流子定

36、域化和帶隙重整化作用增強 的結果使施主雜質帶和導帶融合為一體，半導體轉變為導體，帶隙變窄，吸收邊隨 之出現紅移。由于以上現象的存在，應根據制造不同器件的需要選擇合適的摻雜濃 度。對于P型ZnO材料，人們已進行了大量的嘗試工作【98。10 11,雖然 目前還不能生長高質量的純P型材料，暫時制約了發光器件的進展，但已有科研工 作者用P型GaN102或AIGaN103與“型ZnO制成異質結發 光二極管；用P型Si與N型ZnO的制成結型探測器【阱1;用P型diamo nd105】與“型ZnO制成PN結二極管。一些專家估計ZnO材料的研制很快就會有突破性進展。1.4半導體激光器的特點本節從應用觀點上闡述

37、半導體激光器的特點。與其它種類的激光器相比較，注入型激光器有如下優點：(1)體積小、重量輕幾乎所有的半導體激光器其器件本身體積大小都在1mm3以下，非常小。即使包括必要的散熱片和電源裝置也能夠成為尺度非常小的小型系統(2)可注入激勵僅用幾伏的電壓注入毫安級的電流就能夠驅動。除電源裝置以外不需要其它的激勵設備和部件。電功率直接變換成光功率，能量效率高。(3)室溫下可連續振蕩在室溫附近的溫度范圍內大多數半導體激光器能夠 連續振蕩。(4)波長范圍寬適當的選擇材料和合金比，在紅外和可見光很寬的波長范圍 內能夠實現任意波長的激光器。(5)可直接調制把信號重疊在驅動電流上，在直流到G赫茲范圍內，可以調6第

38、一章半導體激光器的發展歷程與現狀制振蕩強度、頻率和相位。(6)相干性高用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。在分布 反饋型(DFB)和分布布拉格反射型(DBR)激光器中能夠得到穩定的單縱模激射，得到時間上的高相干性。(7)能夠產生超短脈沖采用增益開關和鎖模等方法，以簡單的系統結構能夠 獲得從納秒到皮秒的超短脈沖。(8)可批量生產由于是小型、層狀結構，可以用光刻和平面工藝技術制作， 適宜于大量生產。(9)可靠性高由于是單片狀，所以具有牢固的機械結構。(10)可單片集成化能夠把同種半導體激光器集成在同一襯底上同時半導體激光器也存在三個主要的缺點:(1)溫度特性差工作特性與溫度有顯著的關系

39、，環境溫度變化可以引起激射頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。(2)容易產生噪聲因為是利用高濃度的載流子，所以載流子的起伏會影響有源區的折射率；諧振器的長度短，還采用了低反射率的端面鏡子。所以激光振 蕩容易受到外部回光的影響。(3)輸出光發散輸出光由端面以放射形式發出成為發散光。要獲得平行光束必須要有外部透鏡。1.5半導體激光器的應用半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器，由于它具有以上優點，因 此，品種發展快，應用范圍廣泛，目前已超過3 0 0種。半導體激光器最主要應用 領域是Gb局域網。半導體激光器的應用范圍覆蓋整個光電子領域，已成為當今電 子科學的核心技術。二十一世紀是信息的時代，

40、信息時代的集中體現之一便是光纖通信的大規模應 用和普及，而半導體激光器是光纖通信中信號發射端和接收端的最重要的元件之 一，以此應用為重點推動了半導體激光器的開發。初期用GaAs激光器完成的通 信系統主要是用于短距離通信。為了用于長距離高速傳輸系統而開發出InGaA sP激光器，它的波長是在石英光纖的群速度彌散極小的1.3微米波段，以及傳 輸損失極小的1.5微米波段。長距離高速通信對器件有非常嚴格的要求，如寬帶 調制、窄頻譜寬度、低噪聲、高可靠性等。由于采用了DFE和DER結構及量子 阱結構，從而提高了器件性能，使之達到了實用化水平。半導體激光器的另一個重 要應用是光盤信息存儲。與光通信不同的是

41、要求低噪聲和穩定性。作為CD系統拾音頭所用的光源，采用的是GaAs激光器，它是最早廣泛普及到 家庭的激光器。在VCD和DVD系統里采用的是紅色半導體激光器，它也早已經 實用化了。以GaN基材料為主的短波長半導體激光器的迅速發展，則為更高密度 和更大容量的光盤存儲器的研制和推廣奠定了基礎。有關其它光信息處理的應用， 如激光照排、激光打印機、圖象掃描器、條形碼讀出器等方面的應用也均已實用 化。以半導體激光器為中心的單片集成器件的研究和開發也在積極地進行中。把激 光器和電子元件集成起來的光電集成電路，把激光器、光調制器、光探測器的光電 子元件集成起來的光集成電路用于光通信系統、計算機的光互連、光測量

42、方面的集 成器件很多已經實現了。此外半導體激光器在激光測距、激光雷達、激光模擬武器、激光警戒、激光制 導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的 市場。1.6作者的主要研究工作簡介作者在作為博士研究生期間，主要從事了發光二極管的負電容現象和激光二極 管閾值附近的特性兩項研究。本文總結后一部分內容，且主要涉及實驗研究成果。 實際上我們已經在激光二極管的閾值特性的理論研究方面取得進展，并寫入本文的 初稿和修改稿，但出于一些考慮，在本文的付印前將這部分內容(共2 2頁)略 去。本文擬研究的課題主要包括以下內容：(1)對半導體激光器電特性的研究方法作了詳細討論。指出表征激

43、光器的傳 統方法的不足，例如必須假設串聯電阻和理想化因子為常數【1眼11弓I,因而這 些傳統方法不能夠獲得激光器的精確的電學特性，尤其是不能表征至關重要的大電 流工作狀態下的閾值特性。為了深入研究激光器的電學特性，我們建立了基于并聯 或串聯模式的以正向交流電特性結合直流I.V測量來精確表征二極管的系統方 法，在本文中被稱之為AC.IV方法【1 19m31，禾I用它可以精確求出串聯 電阻、結電壓、結電容和理想化因子對電壓或電流的函數關系，所測量的電參量值 能精確到五位有效數字。(2)給出了利用AC W方法所測量的多量子阱激光二極管(MQWLD)的實驗結果。實驗研究發現：隨著多量子阱激光二極管的I

44、 (dV/d,) ，曲 線在閾值處的明顯下沉，各電學參量在閾值處也都表現出明顯的不連續現象，例如 表觀電導上跳、表觀電容下沉、結電壓上跳、串聯電阻下沉、理想化因子上跳等新 現象。(3)給出了多量子阱激光器發光特性方面的測量結果。將多量子阱激光器的 電學特性與發光特性作比較，發現結電壓跳躍的起點和終點分別對應著光功率二階 微商的最大值和一階微商的扭折點，這也說明我們的方法測量的閾值點和飽和點與 傳統的光學方法測量得到的結果是完全一致的。(4)為了比較不同類型激光二極管的電學特性，作者對文獻12 4報道 的A1oGal.oAs-GaAs條形雙異質結激光器的I (dV/d,) 曲線作了數值擬合，并對

45、其電學特性也作了較精確的表征。必須強調的是，AI。Gai.xAs.GaAs條形雙異質結激光二極管在閾值處也都出現了串聯電 阻、結電壓、電容和理想化因子的突變，我們進一步推斷所有的半導體激光器在閾 值附近都呈現類似的電特性，而這種不連續的電學特性是激光二極管激射發光的一個必然結果，它是現有理論無法解釋的，應該對應著遠離平衡態的相變。同時作者 對激光二極管閾值附近電特性的測量結果作了詳細的討論。我們認為雖然由I(d V/d)一，曲線不能確定礦， 口n對電壓的函數關系，但它應該包含這些電 參量變化的信息。實際上，表觀電導Go和表觀電容Co在閾值處的突變已清楚地 表明激光器的電特性在閾值處的不連續是不

46、容置疑的，通過并不復雜的分析就能得 出肯定的答案；隨后，作者詳細討論了激光二極管閾值附近突變電學特性的合理性 和自恰性。(5)為了比較不同種類的半導體發光器件的電學特性，作者對半導體發光 二極管的電學參量作了詳細的表征和測量。發現與激光器完全不一樣的是，發光二 極管的結電壓隨外加電壓和電流連續趨于飽和，而激光二極管的各電參量在閾值處 經過一明顯跳躍后達到飽和，我們發展了工作狀態下發光二極管的電特性評價方 法。（6）對激光二極管閾值附近電學特性的理論解釋進行了探索，首先對現有的 激光理論作了簡要的回顧和評述，其次運用耗散結構和相變理論對激光器電學參量 的突變特性做出了合理的解釋和推想，其中后一部

47、分內容（原稿第八章）此次印刷 時暫時略去。具體章節內容安排如下：第一章總結了半導體激光器的發展歷程與現狀，簡要闡述了作者的主要工 作。第二章詳細介紹了表征激光器電學特性的方法，指出了傳統測量方法的不 足之處，并提出了我們的測量方法（AC -IV法）。第三章詳細討論了多量子阱激光二極管的表征結果，包括結電壓、串聯電 阻、理想化因子和表觀電容等電學參量隨外加電流或電壓的變化關系。第四章測量了多量子阱激光二極管的發光特性，主要包括發光譜、發光功9第一章半導體激光器的發展歷程與現狀率對電流的變化曲線及其一階微商、二階微商對電流的變化曲線。第五章為了比較不同類型激光二極管的電學特性，對文獻報道的AIoG

48、al.xAs.GaAs條形雙異質結激光二極管的電導數曲線作了 數值擬合， 并利用AC-IV法對其電學特性作了詳細表征；詳細討論了激光二極 管閾值附近電學特性的測量結果。第六章為了比較不同半導體發光器件的電學特性，利用AC.W法測量了發光二極管的電學特性。第七章對現有激光理論作了簡單回顧和評述，提供了我們自己的理論探索的基礎。第八章對本文做一總結和展望。lO第二章激光二極管電學特性的測量方法第二章激光二極管電學特性的測量方法本章對表征半導體器件的I V、電導數方法和c -V方法作了詳細討論，指 出了這些方法的優缺點。盡管這些傳統的方法在一定條件下能夠表征半導體器件的 電學特性，但由于種種原因，很

49、難用它們來精確表征二極管的電學特性。我們提出 了一種基于正向交流小信號方法結合直流I V特性的新研究方法（這里稱之為A C.W法），能夠精確得到激光器各電學參量隨外加電壓或電流的函數變化關系。 這為揭示激光器激射發光的內部物理機制提供了很大的幫助。2.1電流一電壓測量方法傳統的電流一電壓測量方法（即I.V法）【1睢HS是到目前為止最主要 的研究半導體二極管電學特性的測量手段，被廣泛應用于測量肖特基結和P.N結 的勢壘高度，傳輸機制和表面態。我們的工作表明，現已普遍使用的量子阱器件（包括發光和激光二極管、光電探測器等）作為兩端子器件，其I-V特性與P.N結器件是相當類似的，因此也可用類似的方法處

50、理。通常，流過肖特基結和PN結的電流可以表示為I=L(exp(qVj/nkT)-Il,(2 - 1)其中曠為結電壓， 為外加電流，櫛為理想化因子，k為波爾茲曼常數，丁為溫度，q為電子電荷 量，。為反向飽和電流，它依賴于通過結的載流子傳輸機制。例如對肖特基半導 體二極管的熱離子輻射來說，/.，I:AA*T2eXpf型塵1，(2.2)。L解/這里彳是接觸面積，彳木是有效理查德森常數，而是勢壘高度。 人們發展了很多方法，用來計算半導體PN結或者肖特基結二極管的理想化因 子、串聯電阻，以及肖特基結勢壘和理查德森常數等。若電流不十分大，結電壓y,接近外加電壓y,此時理想化因子胛可以由計算得出；或當V3k

51、T/q時，理想化因子可通過(2.3)肛旦kT插dlflnl近似計算。廣泛使用的一個方法是對I n/礦曲線的線性部分進行分析，這 種方法很方便和直觀。但是在二極管開啟后的較大電壓下，串聯電阻的影響越來越 明顯，另外理想因子和串聯電阻一般又都不是常量，從而使單純利用IV方法來求解二極管的電參數變得幾乎不可能，這主要是由于I.V關系包含的信息量過于 貧乏的原因。2.2電導數方法和理想模型1 9 7 6年貝爾實驗室的BarnesP.A.和PaoliT-L.提出了 一種測量近理想二極管的串聯電阻和理想化因子的電導數方法1124,1251。他們用這種方法測量了AI,Oal.xAs.GaAs條形雙異質結激光

52、器(DHLD)的電學特性?？梢钥闯?，電導數曲線在閾值附近出現了明顯的階躍，閾值之后和之前的部分大致呈現直線形狀，如圖2.1（a ）所示。他們用理想P.N結二極管的電流與電壓的關系來推導和解釋這種現象。由經典P.N結的電流電壓公式（2.1），假定串聯電阻K和理想化因子刀 是定值，并利用結電壓公式_=V一 饑，貝U微分電阻為（2.5）d V:兄+ nk T上，（2.6） =兄+，LZ OJ dI5q（，+t）而在實際測試中，人們感興趣的是激光器至關重要的大電流下的工作狀態，即J,考慮微分電阻和電流的乘積，則可以得到以下方程，里：，+塑d/3q（2.7）不難看出，在IdV/dI I曲線中，線性段對應

53、的斜率即是串聯電阻的數 值，而其反向延長線在縱軸上的截距則是刀后丁/g的數值，根據刀七丁/g的數 值就能得到理想化因子。實驗已經表明，在閾值電流附近半導體激光二級管的Id叫dI曲線突然下 沉，之后的部分又大致呈現直線形狀。Pao li和Barnes用結電壓的飽和 來解釋這種現象，他們認為從閩值開始，高速率的受激輻射致使兩個準費米能級被 釘扎，而兩個準費米能級對應的結電壓也就不再隨外加電壓變化而呈現飽和，即閾 值后結電壓應處于飽和狀態，只有串聯電阻 對閾值后的微分電壓有貢獻。但 是，他們過于簡單的分析留下了一些疑問：閾值后的結電壓一是如何達到飽和的， 閾值處的串聯Egret，和理想化因子即是否連

54、續，他們在閾值后又是如何變化 的？學術界一直沒有能夠從實驗的角度對這種論斷做出進一步的判定。圖2.1(a)文獻124給出的DHLD的實驗測試的I (dV/dl) I曲線；(b)文獻12 6給出的擬合理想激光器得到的I (dV/dI) j曲線。同年Jo yceW.E.和DixonR.W.做了對I (dV/d，) ，曲線的數值模擬，采用的簡單模型是，。在閾值前后不變，y,在閾值處立即達到 飽和，結果如圖21(b)所示12 6。他們認為自己的模型反映了激光器 的真實情況，然而通過仔細觀察不難發現，雖然圖2.1中的兩個曲線看起來相 似，但是模擬的/(dV/dI) Z曲線下沉的幅度遠大于實驗曲線，由此得

55、到 的理想化因子也將異乎尋常的大，這是不合理的。目前，電導數技術已成為檢測激光二極管的性能和測定其閾值、理想因子、串 聯電阻的常用方法【12 7。1431。但是，對于相當數目的實際半導體激光 器，其，dv/dr曲線在閾值以前的部分并非呈直線形狀，這主要是由二極管的 理想因子或串聯電阻并非常量造成的，因此，理想因子和串聯電阻的值也就不能由 此方法求解。2.3電容一電壓測量方法在反向電壓下，結電容主要是耗盡區勢壘電容，它通常隨測試頻率變化而變 化。在反向電壓下，結電導一般決定于結的漏電流，它和工藝條件有關，主要表現 為一種直流電導，但有時結的微分電導也不可忽略。 大部分測量二極管的電容計都 采用如

56、圖2.2所示的并聯等效電路。大部分的電路只用這兩個參數來表示，即表 觀電容Cp和表觀電導GP。這兩個參數對角頻率國的恒等式可以由以下公式給出:G,=C,=Gfl + rsG)+rsC02C2而麗再研C（2.8a）（2.8b ）從方程（2.8b）可以看出，當rsG V1和國2rs2C 2VV1時，C=C。而在反向電壓條件下，由于直流電導G般都很小，因而 上述兩條件是很容易滿足的。這樣，在反向電壓下，二極管的結電容即近似等于測 得的表觀電容。這個結果在實際工作中被大量應用，以至于人們經常忘記了它成立 的條件。但是當K相當大，頻率又足夠高時，上述兩個條件就不一定能滿足，而必 須用方程（2.8b ）計

57、算結電容，此時實際的結電容大于表觀電容。結合C.V測試數據和Poisso n方程，可以獲得輕摻雜半導體一側的摻雜濃度；作出1 /C2礦關系曲線還可以求出二極管的勢壘高度。CGCpI山幾q圖2-2（a）-極管等效電路；（b）并聯模式的測量電路；（c）串聯 模式的測量電路由于C V方法簡單實用，在早期的測量中得到了廣泛的應用14 4J471。但是實際情況中存在的很多因素都會對測量結果的準確性和有效性造成嚴重的 影響。這些因素有耗盡區的俘獲效應、表面狀況和邊緣效應、深能級陷阱、絕緣界 面層和串聯電阻的影響等。這些影響雖然可以通過建立更接近于實際情況的物理模 型和更嚴密的數學推導來把這些因素考慮進來，

58、并對結果做適當的修正，但是這樣 會使C-V分析變得非常復雜 F 弓I。傳統C V方法的最大不足是只能運用于反 向或小正向電壓范圍；在稍大的正向電壓下，由于G和c隨電壓都大致呈指數形式 而急劇增長，在大半個世紀的時間內，人們一直未對這種條件下的C-V測量進行 討論，更未予以實際應用。14由上可見，雖然包括LD和LED的P.N結和肖特基結等半導體二極管主要 工作于正向，但長期以來二極管的正向電學特性的表征和測量的方法都過于簡單和 粗糙，這直是對半導體器件特性和微觀機制進行深入研究的制約。我們注意到， 國內外對各種半導體器件正向電學特性的研究在很大程度上都依賴于Iv特性,但I.V特性所包含的信息量是

59、極為有限的（如只能把串聯電阻作為常量來處 理）。傳統的交流C.V方法雖然簡便，但主要適用于反向測量，所以能夠獲得的 信息量也是很有限的。此外，長期以來人們對它的使用存在誤區，把二極管作為黑 盒子直接測試所得的正向并聯表觀電容就當作結電容，但二者在較大的正向電壓下 卻相去甚遠【14弘15 4|。2.4AC.IV方法從一個直流的J一礦曲線能得到的總信息量是有限的，不論什么IV方法,都是建立在對輸運過程和電學參數的一些過于簡單的假設基礎上。半導體二極管的 串聯電阻與體電阻和接觸電阻有關，過去人們把它當作常量，與測試頻率和電壓無 關。其實這是一個相當無奈的選擇，因為長期以來，人們一直找不到一個有效的能

60、 確定串聯電阻隨頻率、電壓變化的方法。針對傳統的C V和I v方法中的許多缺點，比如信息量不足、提出假設過 多以及數學公式過分簡化等等，我們提出了把IV和cv相結合的正向交流特性下的并聯、串聯兩種分析模式，并提出了針對電壓礦的函數珞y）、行妒）和c礦），并給出了求解方法。不論是P.N結或是肖特基結的半導體兩端子器件，其等效電路通常都由結電 容c、結電導G和串聯電阻K組成，如圖2.2（a ）所示。C V法通常采用圖2.2（b ）所示的并聯等效電路，其中G、C、R。和C。分別為表觀電 導、表觀電容、表觀電阻和表觀電容。2.4. 1并聯模式比較圖2.2（a）與化）兩個電路，利用復阻抗相等，貝冋得到表觀電導