文档介绍：高功率量子阱 AlGaAs /GaAs 半导体激光器研究综述
§ 半导体激光器的发展概述
光电子技术是当代高新技术的重要组成部分,对发展国民经济、国防建设起
到举足轻重的作用。随着光电子技术的迅速发展,半导体激光器作为一种重要的
光电子器件,已广泛应用于光纤通信、光传感、信息存储、医疗、激光打印、光
计算及泵浦固体激光器等领域。
半导体激光器又称激光二极管(LD)或注入型激光器,是光电子学中最重要的器件之
一,具有如下优良的特性:
(1)具有良好的单色性。
(2)效率高。
(3)可靠性好。
(4)可高速直接调制。
(5)器件尺寸较小。
(6)具有宽范围波长选择性。
(7)与其它微波器件和光电子器件兼容。
半导体激光器的发展,经历了从同质结到异质结到量子阱结构三个阶段。GE[ 1 ]、IBM[ 2 ]
和 MIT[ 3 ]三个小组最早报导了 GaAs 半导体激光器的实验。早期的 GaAs 同质结半导体激光
器因其阈值电流较高,所以只能在低温、脉冲模式下工作。1963 年,Kroemer 提出[ 4 ],采
用异质结构有可能降低半导体激光器的阈值电流,从此 GaAs 与 AlGaAs 相结合的异质结技
术不断向前发展。在 1970 年,Bell 实验室的 Hayashi 和 Panishi 及 Ioffe 研究院的 Alferov 成
功地研制出室温 CW 工作的 AlGaAs/GaAs 双异质结(DH)激光器[ 5 - 9 ],发射波长为
-,这种半导体激光器被称为短波长半导体激光器。早期的 AlGaAs/GaAs 半导体激
光器的可靠性很差,然而,通过消除机械应力、减少晶体生长氛围中的氧、发展欧姆接触工
艺、研究退化机理等,器件的可靠性得到了明显的改善[ 10 – 14 ] 。随着 MBE 和 MOCVD 等
先进的外延技术的不断发展和成熟,具有一维量子阱结构的半导体激光器应运而生,由于量
子尺寸效应,量子阱激光器的阈值电流显著下降,器件的特性得到了明显的改善。
纵观半导体激光器从同质结到异质结到量子阱结构的发展进程,其阈值电流、模式特
性、温度特性和输出功率等一系列性质均得到了大幅度的改善和提高。近年来,由于 MBE
和 MOCVD 等工艺的日益完善,以及能带工程的应用,量子阱半导体激光器已成为人们研
究的主要课题,它把半导体激光器推进到新的一代。随着半导体激光器制作工艺的不断改进,
制作手段的不断提高,半导体激光器的结构日趋完善,性能更加优良,为制作高功率、长寿
命、高可靠性的半导体激光器奠定了坚实的基础。
§ 高功率 AlGaAs/GaAs 半导体激光器的应用研究
半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等诸多优点,它一出现,就受到
广泛关注,并且极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪最伟大的发明之一。
高功率半导体激光二极管可分为单模激光二极管和多模激光二极管两种,不同的应用对器件
特性的要求也有差异。高功率半导体激光器的应用范围十分广泛,包括光记录、卫星通信、
光纤通信、打印、固体激光器如 Nd:YAG 的光泵浦、红外照明、激光焊接、眼外科手术等
[ 35 ]。
由于具有诸多优良的特性,半导体激光器目前在军事领域中有广泛的应用前景。目前战
术军用半导体激光器(LD)主要集中在 700-900nm 波段,为 AlGaAs/GaAs 材料,最显著的
标志是大功率。但不同的应用场合对器件的波长、功率、光束质量、脉宽和脉冲重复频率等
有不同的要求和重点。例如,用于固体激光泵浦的 LD 有两个基本要求,一是把波长严格控
制在泵浦固体激光材料的强吸收带内,二是大功率输出;LD 直接用做激光雷达辐射光源时,
不但要求输出功率大,而且要求光束象散角小、谱线窄、性能稳定;在激光测距应用中则关
注半导体激光器的脉冲峰值功率和脉冲重复频率,它们是影响精度和距离的主要参数;在起
爆引信方面要求光束直径要窄、方便与光纤耦合、峰值功率大;在大气传输应用中,则特别
强调光束质量。对于上述应用,虽然不同的应用要求的重点不同,但仍以提高功率为开发的
前提[ 36-40]。
目前,单个 100um 条宽的激光二极管最大输出功率已达 6W[ 41]。根据功率需要,把几
个单元到近千单元激光二极管用 MOCVD 方法生长在同一衬底上构成的单片线列集成,CW
输出功率室温下可达 100W,准 CW 功率已达 200W 以上。为了得到更大的功率输出,将若
干个单片集成化阵列条纵向叠加、堆砌成面阵,或利用表面发射激光二极管的特点,通过外
延工艺直接生长二维面阵,其准 CW 峰值