通信用半导体激光材料所产生的激射波长与光传输介质的损耗和色散最低波段相匹配。各种传输介质光通信的发展也促进和推动了各种半导体激光材料的更新和进步（表1）。广泛应用于光纤通信中的半导体激光材料是In1-xGaxAs1-yPy/InP。
传输介质 | 大气 | 石英光纤 | 氟化物玻璃光纤 | 塑料光纤 |
激活层 | GaAs | AlGaAs | InGaAsSb | In0.5Ga0.5P |
限制层 | AlxGal-xAs | AlGaAs | GaAIAsSb | InGaAIP |
衬底 | GaAs | GaAs | GaSb | GaAs |
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/semiconductor laser materials for communication/
最后更新 2022-05-08
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用于制备通信光源激光二极管的半导体激光材料。
- 英文名称
- semiconductor laser materials for communication
- 所属学科
- 材料科学与工程
In1-xGaxAs1-yPy/InP是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其晶体为立方晶系闪锌矿结构，晶体中每个原子和最邻近的4个原子之间形成共价键，组成一个等四面体，键与键之间的夹角均为109°28′，常用的晶面有（100），（110）和（111），其中（110）为解理面，可作为F-P腔激光器的谐振腔。
InGaAsP/InP晶体的能带结构中，其价带的极大值和导带极小值同位于k空间的原点上，带间的电子跃迁时只有能量的变化，而没有电子准动量的变化，故是一种直接跃迁或竖直跃迁材料。但InGaAsP存在Auger非辐射复合，内量子效率比AlGaAs/GaAs材料要低。
InGaAsP/InP材料中四元固溶体的一个显著特点是，它的禁带宽度Eg和晶格常数随组分x、y连续变化。图中描述了In1-xGaxAs1-yPy的禁带宽度、晶格常数和组分的关系。图中的阴影部分为间接禁带区。可按λ=1.23985/Eg关系式设计并控制激射波长落在石英光纤传输损耗和色散最小（1.3微米，1.55微米）范围内。与此同时使四元晶体与InP具有很好的晶格匹配、消除异质结材料界面的失配位错。
半导体激光材料的晶带宽度、晶格常数和组分的关系温度严重影响In1-xGaxAs1-yPy/InP的禁带宽度，这是引起激光波长因环境温度波动而漂移的主要原因。此外，InGaAsP/InP材料中四元固溶体的折射率随组分而发生变化。如InP的折射率为3.1620，InGaAsP的折射率为3.3791，In0.73Ga0.27As0.60P0.40的折射率为3.4073。当不同组分InGaAsP或InGaAsP/InP组成异质结波导材料时，其层厚、掺杂浓度以及外界注入载流子浓度的变化都会引起有效折射率的变化。分布反馈激光器或布拉格反射激光器就是利用InGaAsP/InP波导介界上厚度周期性变化（变化周期满足布拉格衍射条件）引起折射率的周期性变化，从而起到光栅选模作用，获得动态单纵模特性。
InGaAsP/InP用于制作长波长激光器时，其功用和结构参数见表2。材料的厚度对器件性能影响很大，特别是激活层，当厚度降至德布罗意波长量级时，其能带结构发生变化，导带中电子能量连续分布，分裂为一系列能级（子带），态密度和能量关系呈台阶形状，称其为量子阱结构材料。这是现代半导体激光器材料的发展趋势。
| 参数 | |||
类型 | 迁移率 | 厚度 | ||
InP | 衬底 | N型掺S,Te | 约1018 | 100 |
InGaAsP | 激活层λ=1.3.1.48,1.55 | 不掺杂 | 约1016～1017 | 0.1或量子阱 |
波导层，垒层λ=1.1～1.25 | 不掺杂 | 1017 | 0.2或量子阱 | |
欧姆接触层λ=1.05 | 掺Zn | 1018 | 0.2 | |
InP | 限制层 | N型掺Sn | （5～8）×1018 | 约1 |
InGaAsP/InP制备方法因生长厚度的差异而采取不同的工艺技术。InP衬底体单晶是液封引上法或水平区熔法生长；薄层或量子阱结构用液相外延法、金属有机化学气相沉积（MOCVD）法、化学束外延（CBE）法。
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