半導(dǎo)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）
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  X' b: h: [: b5 y6 G( u; p氣體激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器等
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* n$ e( c8 x( U' @- X1 F) }4 ~液體激光器：如有機(jī)染料激光器、四軸飛行器化合物液體激光器
, W& \6 \6 M$ n7 p* g" K半導(dǎo)體激光器：如InGaAsP/InP激光器、GaAIAs/GaAs激光器等
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半導(dǎo)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。

因?yàn)樾�率高、體積小、壽命長、便于單片集成等優(yōu)點(diǎn)，使得半導(dǎo)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(dá)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的本質(zhì)是半導(dǎo)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(guān)系，所以抑制器件的電子的泄漏是提高半導(dǎo)體激光器性能的關(guān)鍵手段。

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那么，泄漏是怎么產(chǎn)生的呢？

5 ]" f* C' f( r- u, ~% b$ F, v0 [首先，我們需要了解幾個半導(dǎo)體的概念：
勢壘：是在PN結(jié)由于電子、空穴的擴(kuò)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(diǎn)附近的一小片區(qū)域。
價帶：是指半導(dǎo)體或絕緣體中，在0K時能被電子占滿的最高能帶。對半導(dǎo)體而言，此能帶中的能級基本上是連續(xù)的。
導(dǎo)帶：是由自由電子形成的能量空間。對于半導(dǎo)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(dǎo)帶。
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! l  a( S! ]( [其次，我們再從半導(dǎo)體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理分析一下。
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0 l% h7 j% E1 u' h& n泄漏電流產(chǎn)生的原因：在半導(dǎo)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(kuò)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(kuò)散。
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但是，由于異質(zhì)結(jié)界面的導(dǎo)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(jìn)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(kuò)散方式向電極方向運(yùn)動，并形成激光器的漏電流。而導(dǎo)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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1 Q8 t  [. H  G' c* p" D9 ?" ~* g那么，如何抑制了泄漏？

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(jìn)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(kuò)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(shù)與工藝還在不斷改善及研究當(dāng)中。