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2024-05-12
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光学通信中半导体激光器的能带结构工程
摘要：最近外延生长的研究进展导致了人工修改半导体材料的电子结构或能带结构的前景。应变和量子的
结合限制在价带导致激光作用比自然半导体晶体具有更多良好的能量色散关系。数值结果给出了光学通信
中一系列能带在 1.55 附近的合金成分最佳波长。在合理设计带结构时，激光阈值电流和中间价带吸收可
以明显降低。
介绍：
最近来，价带有效质量的降低明显能对大半导体激光器有相当多的好处。这项能带结构工程技术，包
括超晶格，量子限制和应变简并已经变得非常先进，它可以使用于常规的方式。我们必须把 III-V 半导体
晶体的自然电子能带结构作为应用设备的起点。我们可以人工改变能带结构来满足我们的需要。在本文中，
我们扩展以前的工作，通过提供一系列合金成分和应变层中的能带结构计算，可能对半导体激光应用于光
通信很重要。
半导体激光器主要困难在于很重的价带质量。不幸的是，在 III-V 半导体中，在很轻导带质量和沉重
的价带质量之间存在严重的不对称。理想情况下，两个质量都应该尽可能的轻。态密度非常小和简并载体
子密度会降低。然后 Bernard-Duraffourg 条件将满足低载体子处在阈值电流方面，非辐射的复合等。
在真材实料，通常的半导体激光器图片电子和空穴的退化分布实际上并不适用。导带中上激光能级在
确实充满了堕落电子，价带中较低的激光水平不为空。由于沉重的价带质量，高于价带的顶部和空穴分布
的空穴的准费米能级是经典的。这种情况示于图 1（a）所示。因此，在价带顶部的孔占有概率很小，例
如，较低的激光水平几乎完全填充电子。
现今的半导体激光器从稳态到亚稳态激射下来。图 1（b）说明了理想情况下的同一导带和价带质量。
我们寻求这种情况下各种带结构工程。
在布里渊区域的 点价带顶端有一个原子 波函数的对称性。沉重的价带相当于一个 m = 3/2
2/3
2
P
态和光退化价带相当于一个 m = 1/2 的状态，占 点的四倍。特别是能级降低受到小扰动。在这种情
况下， 在 z 方向的张力或 z 方向者量子限制可以分裂 点的简并性。给予适当的张力，价带光可以转移
到上面的重带，减少的空穴有效质量。
众所周知，增益阈值条件是的 Bernard- Duraffourg[4]条件： （1）
gvc
E)F-F wh（
这需要准费米能级的距离 应大于带隙。在图（a）和（b）中，最低限度地满足这种情况。实际
)F-F
vc
（
上，准费米能级的分离度应大于最小值 1 或 2 KT，以克服腔损耗等，但这不会改变我们的任何结论。二
维态密度每单元载流子能量每单位面积是 ，独立于载波子能量。图 1（b）中单位面积须达到的
2
/m h
准费米能级距离为载流子注入能级 n： （2）
dE
m
c
KT 2
0
/E
1e
1
n
h
2lnn
2
h
c
KTm
图 1（a）说明的情况更加复杂。减少的电子的密度 ， 是减少的能量。空穴非退化，
2
/n h
c
m
其密度 ρ 可近似为： （3）
KT
KTm
c
-exp
2
h
方程中等同 n 和 p 的结果是，迭代求解可进行手算： （4）
KTm
m
KT
c
-exp
h
对于 =1.43 KT，一个合理的值 是 1/6。因此，在这种情况下，图 1（a）中入射能级比分为
）（
h
mm
c
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