半导体激光器中漏电流的形成与抑制

硬件电子工程师

按照工作物质形态划分，激光器可分为四种：

# N6 A9 g* ?* {$ L: q固体激光器：如红宝石激光器（世界上第一台激光器）
$ I1 A, ^0 q9 |( y; S4 [# A% h
气体激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器等

液体激光器：如有机染料激光器、四轴飞行器化合物液体激光器
: @- _  R! y+ G( D6 w& g7 ~0 f半导体激光器：如InGaAsP/InP激光器、GaAIAs/GaAs激光器等

cy04o5rr5yx64010441940.png

3 [% E  }3 F8 p' k7 K
半导体激光器常用工作物质有：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。

" z  a- [2 m- @; G' P8 R因为效率高、体积小、寿命长、便于单片集成等优点，使得半导体激光器在激光通信、光存储、激光打印、激光测距，以及激光雷达等方面得到了广泛的应用。

半导体激光器除了常用的波长、阈值电流、工作电流、发散角等基本工作参数之外，其高温性能与大电流注入时的输出性能也尤为重要。半导体激光器的本质是半导体材料，而其阈值电流随温度变化的敏感程受有源区中的载流子泄漏的程度有重要关系，所以抑制器件的电子的泄漏是提高半导体激光器性能的关键手段。
0 [- J4 u: [" K$ \' |, Z% J2 @# O6 H

sq2rvhcwi3y64010442040.png

# f4 v# J0 J& p( n8 \( \; h) @
那么，泄漏是怎么产生的呢？

首先，我们需要了解几个半导体的概念：
势垒：是在PN结由于电子、空穴的扩散所形成的阻挡层，两侧的势能差，就称为势垒。势垒是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域。
0 W( J$ {# V. j, M$ @- f* B价带：是指半导体或绝缘体中，在0K时能被电子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。
$ N$ _- B9 z* m# `4 O& j导带：是由自由电子形成的能量空间。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。
$ y; D" h" [( d; y

mshsujoms1064010442140.png

6 \, e; e5 ?/ J  R

2u02u2uutsh64010442240.png

5 f) |1 U* B  d7 J7 g/ U9 ^7 }, Z其次，我们再从半导体材料的内部结构原理分析一下。
$ H' c# w1 R( G7 R# @$ q
泄漏电流产生的原因：在半导体结构中，由N型限制层注入到有源区中的电子受到P型异质结势垒的限制，阻挡它向狆型限制层内扩散；同样，由P型限制层注入到有源区中的空穴受到N型异质结势垒的限制，阻挡它向N型限制层内扩散。
* |6 P$ U8 M% c/ A5 D9 @6 O  H
但是，由于异质结界面的导带或价带不连续值决定了异质结界面的势垒高度。所以，必定有一部分能量高于该势垒的载流子而越过势垒进入限制层成为该区的少数载流子。这些载流子通过漂移或扩散方式向电极方向运动，并形成激光器的漏电流。而导致了通过的载流子数量与势垒区的薄厚、材料，以及所加反向电压的大小等因素共同决定。

% g3 t" A+ P  h

10i5sdtrdqz64010442340.jpg

% r$ n2 @" u) [2 c6 A% z6 A, \那么，如何抑制了泄漏？
7 z2 N* c6 h1 x  F$ c/ L
根据上述产生原理可以看出，提高电子的有效势垒就可以抑制进入限制层的载流子。所以，P型限制层的掺杂浓度，尤其是靠近有源区的P型掺杂浓度，对提高电子的有效势垒，对激光的性能有着举足轻重的作用。但由于材料原因，在高温环境中杂质又很容易扩散到有源区，增大光吸收，破坏激光器的性能，并且给制作工艺带来一定的困难，所以抑制了激光器泄漏电流的技术与工艺还在不断改善及研究当中。