半导体激光二极管在光子学设计中的应用

半导体激光二极管（Semiconductor Laser Diode，SLD）的基本原理类似刚才讨论的发光二极管。再次使用正向载流子注入。然而，也有重要区别。

若由两类非本征半导体材料形成一个p-n结，一个（n类）费米级位于另一个（p类）费米级的上面，则初始条件相当接近光学放大及（通过适当反馈）受激发射所需要的反转粒子数。显然，这种状态是一种非平衡状态，不会持久（或许几纳秒）。但是还知道了，对p-n结施加一个正向偏置电压有可能使一个费米级仍然在另一个费米级之上。在这种情况下，通过外部电源有效地进行“泵浦”，仍然可以使p-n结周围材料空间中传导带n态高于价电子带p态的反转粒子数保持不变。任何一种从传导带的和到价电子带的电子能量跃迁都可能自发发生，都会形成发光二极管；或者被输入的具有相同频率E_g/h的光子激励而发射，每一种情况都会形成半导体光学放大器。在正确的环境条件下，为了设计一个半导体激光器，需要对后一种布局施加正的反馈。何为正确的环境条件呢？

首先，由于致密介质的散射及其他原因，固体材料中的损失相当高，为了获得高增益必须产生大的反转粒子数式（6.14）。为此，应保证掺杂程度较高，以便在损耗区有较高浓度的电子和空穴。事实上，对半导体激光二极管器件，其掺杂程度（Ga或As原子超过“其化学组量（stoichiometric）”值）约高达0.01%（等效于每立方米10²⁴个原子）以提高“简并（degenerate）”半导体施主和受主级。实际上，如此大的量就是要求施主密度和受主密度较高，即在传导带底部由电子充满了非常多的资用能级，而在价电子带顶部由空穴占据了非常多的资用能级。结果是，费米级涉及的是能态只占50%的能级，所以两个费米级都可以分别移进传导带（n类）和价电子带（p类）。换句话说，如此大的量就是超量电荷载流子，接近满足金属导体的条件（费米级位于到传导带的中间位置）。在热平衡状态中，p-n结的能级图将是图7.8a所示的形式。如果对该结施加正向偏压，其量等于带隙能量数量级，该图就转变成图7.8b所示的形式。其中发生变化的是，n类材料中具有超量传导带电子的区域和p类材料中具有超量价电子带空穴的区域已经移到更靠近叠加区，所以电子可以落在空穴内，并产生频率为E_g/h的光子。若采用竖直带隙半导体，如GaAs，就特别容易实现此过程。

随着大量的电子与空穴相组合，会产生较多的光子，并且从偏压电源获得电流使其不断地替换电子和空穴（与LED一样），从而不间断地产生光。在半导体中已经可以有效地进行粒子数反转，而反转是通过注入电流泵浦实现的。

正如本书6.2.4.2节所述，为了获得受激发射所需要的正向偏压p-n结，必须提供正的反馈。设计一个图7.9所示的p-n结的结构，将材料两端的晶面抛光，使其相当于激光反射镜组，根据菲涅尔系数就可以达到该目的。倘若光学增益大于损耗，该装置就会以与带隙相对应的频率，在垂直于抛光端面的方向上受激发射。

图7.8　简并p-n结

图7.9　单质结GaAs注入式激光器的设计

显然，增大粒子数反转和光学增益都可以通过增大偏压实现。与扩散电流相比，这等于增大了漂移电流，因此更多的电子与空穴组合，导致更多光子的产生。由式（6.14b）知道何时系统受激发射。如果两个端面反射镜的反射率都等于R，则满足下式就会发生受激发射：

Rexp（γ-α）l≥1 （7.1）

式中，γ为增益；α为损耗；l为反射镜之间的距离。所以，必须增大电压，直至出现受激发射为止。受激发射开始时通过的电流密度称为“阈值”电流密度。对于刚才介绍的结构布局，阈值电流密度相当高，约为400A/mm²。其原因是损耗太高。都有什么损耗呢？首先是反射面的损耗，在式（7.1）中由R代表，由于该项损耗是以GaAs与空气（在受激发射频率）之间的折射率差产生的菲涅尔反射（式（2.13a））为理论基础，所以属中等程度损耗。折射率差为3.35，从而导致[（n₁-n₂）/（n₁+n₂）]的值为0.292。采用各种形式的镀膜或者利用布拉格（Bragg）反射（将在本书第10章进一步讨论）可以使该值增大。但是，式（7.1）表明，无论何种情况，只能使阈值电流随R线性减少；反之，为了取得大的改进，更好的方式是将精力集中在指数项上。最后，发现γ和α并非是独立的。原因是，如果增大偏压（和α），则每一侧的费米级分别上升和降落到（见图7.8c）每一侧多数载流子可以溢出到整块材料中的空级位置，因此扩散到远离“结”的跃迁区，错失了产生光子的过程。(www.xing528.com)

另一个重要损耗源于下面事实：p-n结区与其余半导体部分之间的折射率差相当小。因此，p-n结区域内端反射镜间前后反射的光（见图7.9）在横向方向并不能完全约束在该区域内。当传播到该区域之外时，就会将一些价电子带的电子激励到传导带而被吸收，该过程称为“自由载流子吸收”。

所有这些损耗说明，需要注入大的电流以克服这些损耗。所以，正如提醒注意的，受激发射的阈值电流必须相当大。当然，高阈值电流意味着器件消耗很大的功率，因而使温度升得非常高，除非是在非常短的脉冲下运作。这是一个非常严重的限制：除了产生脉冲的电源外，还需要连续的光功率源。如何降低阈值电流呢？

了解了p-n结器件中的损耗源，意味着要寻找一种降低该损耗的方法。正确地进行理解是物理学和光子学设计中最有力的工具。

现在，讨论图7.10所示的结构。这是一种称为异质结激光器的多层结构，以区别于前面讨论的、称为同质结激光器的那类结构。

在异质结激光器中，每一层都有定义好的功能（见图7.10）。二氧化硅使半导体与电接触点完全绝缘。每侧重掺杂的p/n类掺杂层起着“欧姆”半导体的作用，其以晶体形式与p“结”和n相接触的界面使GaAlAs层简并化。而GaAlAs层中间夹持着一个非常重要的GaAs薄层，该层只有约200nm厚。并且，由于GaAs层折射率要比周围的GaAlAs层高，其作用是将光辐射约束在自身空间内，因此缓解了其中的损耗问题。GaAs层还形成另外一个重要的功能，研究图7.11所示情况可以明白这一点。由于GaAs比GaAlAs有更小的能隙，多数载流子不再溢出到能隙另一侧的材料中，因此载流子扩散造成的损耗几乎被消除。这种设计提供的阈值电流约10A/mm²，与同质结激光器相比，改进程度高出一个数量级，并可以实现连续波运行。异质结半导体激光器是光子学领域的重大突破，提供了一种耐振、紧凑、相干、强功率、单色、低压工作和容易批量生产（所以便宜）的脉冲光源或者连续光源。随着该装置进入实用阶段，光子学应用逐渐步入成熟（这就是对该装置进行更为详细讨论的原因）。

图7.10　GaAs异质结激光器的设计

图7.11　p-n结类型中的载流子分布

GaAs类装置提供波长840nm的激光，而带隙工程（见本书6.3.6节）上适用的波长范围包括适用于光纤通信系统使用的这一个波长范围。这是一个非常方便、通用和经济光源。例如，该光源可以应用于激光唱机（见本书第10章）、超市的条码阅读器，以及许多显示功能应用中。