半導體激光器中漏電流的形成與抑制

硬件電子工程師

按照工作物質(zhì)形態(tài)劃分，激光器可分為四種：
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固體激光器：如紅寶石激光器（世界上第一臺激光器）

氣體激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器等
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4 w3 h4 v+ B7 K( C液體激光器：如有機染料激光器、四軸飛行器化合物液體激光器
6 ^* F% t) r0 t$ l半導體激光器：如InGaAsP/InP激光器、GaAIAs/GaAs激光器等
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: W, [+ C+ f, V) v半導體激光器常用工作物質(zhì)有：砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。

( Y- B7 U- X$ G1 z" ?因為效率高、體積小、壽命長、便于單片集成等優(yōu)點，使得半導體激光器在激光通信、光存儲、激光打印、激光測距，以及激光雷達等方面得到了廣泛的應用。

半導體激光器除了常用的波長、閾值電流、工作電流、發(fā)散角等基本工作參數(shù)之外，其高溫性能與大電流注入時的輸出性能也尤為重要。半導體激光器的本質(zhì)是半導體材料，而其閾值電流隨溫度變化的敏感程受有源區(qū)中的載流子泄漏的程度有重要關系，所以抑制器件的電子的泄漏是提高半導體激光器性能的關鍵手段。
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那么，泄漏是怎么產(chǎn)生的呢？

首先，我們需要了解幾個半導體的概念：
勢壘：是在PN結(jié)由于電子、空穴的擴散所形成的阻擋層，兩側(cè)的勢能差，就稱為勢壘。勢壘是勢能比附近的勢能都高的空間區(qū)域，基本上就是極值點附近的一小片區(qū)域。
價帶：是指半導體或絕緣體中，在0K時能被電子占滿的最高能帶。對半導體而言，此能帶中的能級基本上是連續(xù)的。
導帶：是由自由電子形成的能量空間。對于半導體，所有價電子所處的能帶是所謂價帶，比價帶能量更高的能帶是導帶。




其次，我們再從半導體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理分析一下。
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泄漏電流產(chǎn)生的原因：在半導體結(jié)構(gòu)中，由N型限制層注入到有源區(qū)中的電子受到P型異質(zhì)結(jié)勢壘的限制，阻擋它向狆型限制層內(nèi)擴散；同樣，由P型限制層注入到有源區(qū)中的空穴受到N型異質(zhì)結(jié)勢壘的限制，阻擋它向N型限制層內(nèi)擴散。
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但是，由于異質(zhì)結(jié)界面的導帶或價帶不連續(xù)值決定了異質(zhì)結(jié)界面的勢壘高度。所以，必定有一部分能量高于該勢壘的載流子而越過勢壘進入限制層成為該區(qū)的少數(shù)載流子。這些載流子通過漂移或擴散方式向電極方向運動，并形成激光器的漏電流。而導致了通過的載流子數(shù)量與勢壘區(qū)的薄厚、材料，以及所加反向電壓的大小等因素共同決定。
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那么，如何抑制了泄漏？
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0 T& a* e6 h3 a) I根據(jù)上述產(chǎn)生原理可以看出，提高電子的有效勢壘就可以抑制進入限制層的載流子。所以，P型限制層的摻雜濃度，尤其是靠近有源區(qū)的P型摻雜濃度，對提高電子的有效勢壘，對激光的性能有著舉足輕重的作用。但由于材料原因，在高溫環(huán)境中雜質(zhì)又很容易擴散到有源區(qū)，增大光吸收，破壞激光器的性能，并且給制作工藝帶來一定的困難，所以抑制了激光器泄漏電流的技術與工藝還在不斷改善及研究當中。