半导体激光器材料的研究进展-第八组

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1、半导体激光器材料的研究进展主讲人：刘晓凯刘磊资料收集与整理：潘春仁易亮PPT整理：刘晓凯半导体激光器材料的研究进展一、半导体激光器的发展历史二、半导体激光器的工作原理三、半导体激光器的制作工艺四、半导体激光器的应用现状五、半导体激光器材料的发展前景一、半导体激光器的发展历史激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。1916年爱因斯坦发现了激光的原理，1960年激光被首次制造。半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD)

2、,是20世纪60年代发展起来的一种激光器。常用的半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)，硫化镉(CdS)等。激励方式主要有电注入式，光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结，双异质结，量子阱(单，多量子阱)等多种形式。一、半导体激光器的发展历史早在上个世纪50年代，随着半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，人们便设想发明半导体激光器。60年代初，这方面的理论研究纷纷展开。1961年，前苏联科学院院士，莫斯科列别捷夫物理所的尼古拉·巴索夫（N.G..Ba

3、sov）提出受激辐射能够在半导体内产生的理论。一、半导体激光器的发展历史1962年7月，美国麻省理工学院林肯实验室的学者奎斯特（Quist）和克耶斯（Keyes）在固体器件研究国际会议上，报告了砷化镓材料的光发射现象。同年9月，霍尔（Hall）是通用电气研究实验室的工程师，他采用扩散技术制备了GaAs的P-N结，获得了低温脉冲工作的GaAs同质结构激光器。同质结激光器具有厚度为微米量级的有源层，需要足够的电子和空穴注入来实现粒子数的反转，因此阈值电流密度高达105-106A/cm2；而且这种激光器温度效应明显，注入载流子的复合效率低，不能够

4、在室温下连续工作。一、半导体激光器的发展历史1963年，异质结的概念由前苏联科学院的阿尔费洛夫（Alferov）和美国的克罗默（Kroemer）提出。1968年到1970年期间，美国贝尔实验室的潘尼希（Panish）等研制出AlGaAs/GaAs单异质结激光器，阈值电流密度为8.6×103A/cm2，实现了室温下的脉冲工作，这标志着半导体激光器进入了异质结注入型激光器（SHLD）的发展阶段。一、半导体激光器的发展历史1970年，双异质结构半导体激光器(DH-LD)由前苏联科学院约飞（loffe）物理研究所的阿尔费洛夫(Alferov)等人研

5、究成功。室温下的阈值电流密度比单异质结激光器的降低了一个数量级，电光转换效率也得到了大幅度的提高。与此同时，超晶格中的量子效应由美国IBM公司的江琦（L.Esaki）和朱兆祥（R.Tsu）首先提出，并且制备出了具有超晶格结构的GaAs半导体材料。一、半导体激光器的发展历史1975年，范德齐尔（J.P.Vanderziel）等人首先采用MBE(分子束外延）方法制备了AlGaAs/GaAs材料的量子阱激光器——从此半导体激光器进入了第三个发展阶段。1977年，杜普伊斯（Dupuis）等人研制出了阈值电流密度为3kA/cm2的量子阱激光器。197

6、9年，14个量子阱的AlGaAs激光器由曾焕添（WonT.Tsang）用MBE生长得到，在室温下工作时其阈值电流密度为2kA/cm2。随后，曾焕添在对单量子阱激光器进行优化设计的基础上，提出了光电分别限制的梯度折射率波导（GRIN-SCH）结构，制备出的激光器阈值电流密度仅为60A/cm2，内量子效率高达95%。一、半导体激光器的发展历史在20世纪80年代后期，人们又提出了应变量子阱激光器的结构，其阀值电流密度可降至约65A/cm2。1994年，贝尔实验室报道了只有电子参加的基于子带跃迁和共振隧道机理上的量子级联激光器，突破了二极管激光器材

7、料体系对发射波长的限制，将发射波长推至4um-17um中远红外波段。AlGalnP体系为可见波段红光波段。1996年日本成功地研制出GaN基半导体量子阱激光器，将半导体激光器的发光波段推向了紫外至蓝紫波段。一、半导体激光器的发展历史这些成果证明了量子阱激光器的特性远远优于双异质结激光器，奠定了量子阱激光器在半导体激光器领域的主导地位，同时推动了整个光电子产业的迅猛发展。随着能带工程理论的运用，晶体外延材料生长工艺以及半导体制作工艺的不断发展和成熟，以及应用领域的不断拓宽，新材料、新波段和新结构的半导体激光器不断涌现，如应变量子阱激光器、分布

8、反馈激光器、垂直腔面发射激光器、外腔激光器、量子阱级联激光器、量子点激光器、微腔激光器、光子晶体激光器、宽带隙GaN基半导体激光器等。一、半导体激光器的发展历史纵观半导体激光器近