2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用

由于异质结是由具有不同光学和电学性质的半导体组成的，同时可以通过适当的晶体生长技术控制异质结势垒的形状，因此异质结在扩大光电子学器件的使用波段范围、提高光电子器件的性能和构成一些特殊用途的器件等方面起到了突出的作用。概括起来，异质结在目前光纤通信、光信息技术等方面常用的半导体光电子器件中有以下主要作用和应用。

2.2.1 在半导体激光器中的作用

在绪论中已提到，正是由于结晶良好的GaAlAs/GaAs异质结的研究成功，才使半导体激光器得以实现室温下连续工作。参照图2.1-5，说明异质结在半导体激光器中的一些典型作用。

（1）pN异型异质结处在正向电压时，异质结势垒高度降低，N区的电子可以越过势垒和隧穿势垒而注入窄带隙p区。这种异质结有助于载流子从宽带隙区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的势垒也阻碍着注入p区的空穴向N区的泄漏。

（2）同型异质结pP有一个较高的势垒以阻挡注入p区（即异质结激光器的有源区）的电子漏出。

（3）由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此有源区两边的同型和异型异质结都能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损耗掉。

（4）在实际激光器的结构中，往往需要生长一层与前一层掺杂类型相同但杂质浓度很高（～1020/cm3）的盖帽层（或顶层），这种同型异质结可用来减少与相继的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接触。

除了在垂直于结平面方向上异质结所具有的上述作用外，在常用条形激光器中，平行于结平面方向上有源区的两侧用异质结（如隐埋条形异质结）对光子和载流子进行侧向限制，从而有利于激光器性能的进一步提高。

2.2.2 异质结在发光二极管（LED）中的作用

在表面发射的LED中，还可在靠近有源区的表面生长一个能透明的同型异质结，它一方面用来钝化表面，减少注入有源区的载流子与表面态复合而造成的损失，减少由于表面态对器件稳定性的影响；另一方面还可以减少来自于器件与空气界面的反射损失从而增加输出。

2.2.3 异质结在光电二极管探测器中的应用

对于光探测器来说，希望有宽的光谱响应范围和高的光电转换效率。在包含异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口效应可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。如图2.2-1（a）所示的异质结由宽带隙Eg1和窄带隙Eg2的两种半导体组成，只要入射光子能量hv＜Eg1，则入射光能透过半导体1，其透射谱如图中虚线所示。透过半导体1的光子，如果其能量hv＞Eg2，则它们将被半导体2所吸收，其吸收谱如图中实线所示。显然，透射谱与吸收谱曲线重叠部分（图中用阴影表示）代表着这种结构的光探测器能有效工作的光谱范围，入射光子能量应该满足Eg1＞hv＞Eg2。与之对比，图2.2-1（b）表示了同质结的相应情况，由图明显看出，半导体1的透射谱与半导体2的吸收谱只有很少的重叠，因而能被半导体2有效吸收的光子也就非常有限。

图2.2-1 异质结和同质结的光谱特性比较

这种窗口效应还被用来提高半导体激光器输出腔面的破坏阈值，在腔长方向靠近输出端面的一段形成透明区，通过它可制出高功率连续半导体激光器。