半导体激光器原理与制造

1、半导体激光器原理与制造半导体激光器原理与制造第1页主要内容1.半导体物理基础知识2.半导体激光器工作原理3.工作特征及参数4.结构及制造工艺5.面发射激光器半导体激光器原理与制造第2页半导体物理基础知识能带理论直接带隙和间接带隙半导体能带中电子和空穴分布量子跃迁半导体异质结半导体激光器材料选择半导体激光器原理与制造第3页能带理论:晶体中原子能级分裂晶体中电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有晶体中原子间相互作用，造成能级分裂，因为原子数目巨大，所以分裂能级非常密集，认为是准连续，即形成能带电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子，而导带中没有电子半导体激光器原

2、理与制造第4页导体 绝缘体 半导体半导体激光器原理与制造第5页能带中电子和空穴分布导带中绝大多数电子分布在导带底。Ef为费米能级，它在能带中位置直观标志着电子占据量子态情况。费米能级位置高，说明有较多能量较高量子态上有电子。半导体激光器原理与制造第6页能带中电子和空穴分布N型半导体中电子和空穴在能级中分布（热平衡状态）半导体激光器原理与制造第7页能带中电子和空穴分布P型半导体中电子和空穴在能级中分布（热平衡状态）半导体激光器原理与制造第8页量子跃迁光自发发射（是半导体发光基础）光受激吸收（是半导体探测器工作基础）半导体激光器原理与制造第9页量子跃迁光受激发射：光子激励导带中电子与价带中空穴复合

3、，产生一个全部特征（频率、相位、偏振）完全相同光子。它是半导体激光器工作原理基础。半导体激光器原理与制造第10页量子跃迁非辐射跃迁：异质结界面态复合缺点复合：有源区都是本征材料俄歇复合：对长波长激光器量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响半导体激光器原理与制造第11页量子跃迁特点：半导体激光器原理与制造第12页直接带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体跃迁几率高，适合做有源区发光材料（如GaAs，InP，AlGaInAs）间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态波矢不一样，必须有对应声子参加吸收和发射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。半导体激光器原理与制造第13页半导体异质结异质结作用：异质结对载流子

4、限制作用异质结对光场限制作用异质结高注入比半导体激光器原理与制造第14页异质结对光场限制作用半导体激光器原理与制造第15页半导体激光器材料选择1-能在所需波长发光2-晶格常数与衬底匹配半导体激光器原理与制造第16页半导体激光器工作原理基础条件：1有源区载流子反转分布2谐振腔：使受激辐射屡次反馈，形成振荡3满足阈值条件，使增益损耗，有足够注入电流。半导体激光器原理与制造第17页双异质结激光器半导体激光器原理与制造第18页分别限制异质结单量子阱激光器半导体激光器原理与制造第19页横模（两个方向）半导体激光器通常是单横模（基模）工作。当高温工作，或电流加大到一定程度，会激发高阶模，造成P-I曲线出现

5、扭折（Kink），增加了躁声。垂直横模侧横模垂直横模：由异质结各层厚度和各层之间折射率差决定。半导体激光器原理与制造第20页横模（侧横模）1.强折射率导引掩埋异质结激光器（BH-LD）折射率导引激光器（Index guide LD）半导体激光器原理与制造第21页横模（侧横模） 2.弱折射率导引激光器：脊波导型激光器（RWG-LD）折射率导引激光器（Index guide LD）半导体激光器原理与制造第22页横模（侧横模）条形激光器增益导引激光器(Gain guide LD)半导体激光器原理与制造第23页几个经典折射率导引激光器半导体激光器原理与制造第24页远场特征随有源区厚度及折射率差减小而减

6、小。 随有源区宽度减小而增大。减小有源区宽度，能够使远场更趋向于圆形光斑。减小有源区宽度能够使高阶模截止。半导体激光器原理与制造第25页纵模F-P腔激光器： 多纵模工作DFB激光器 单纵模工作半导体激光器原理与制造第26页F-P腔激光器半导体激光器原理与制造第27页半导体激光器原理与制造第28页DFB激光器半导体激光器原理与制造第29页DFB-LD与DBR-LD半导体激光器原理与制造第30页F-P-LD与DFB-LD纵模间隔半导体激光器原理与制造第31页DFB-LD增益与损耗半导体激光器原理与制造第32页工作特征1.阈值电流 Ith 影响阈值电流原因：有源区体积：腔长、条宽、厚度材料生长：掺杂

7、、缺点、均匀性解理面、镀膜电场和光场限制水平随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，这些都会使阈值电流密度增加半导体激光器原理与制造第33页工作特征2.特征温度To（表征激光器温度稳定性）： 测试：To = T / Ln（Ith） 影响To原因：限制层与有源层带隙差 Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小 Eg半导体激光器原理与制造第34页工作特征3.外微分量子效率d （斜率效率）：能够直观用来比较不一样激光器性能优劣。d = P / I外微分量子效率并不是越大越好，假如太大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件轻易被损坏。半导体激光器原理与制造第35页工作特征4.

8、 峰值波长随温度改变b / T： 对F-P-LD，当激光器温度升高时，有源区带隙将变窄，同时波导层有效折射率发生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为0.5nm/ 。 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高时光栅周期改变很小，所以b / T小于0.1nm / 。半导体激光器原理与制造第36页F-P-LD与DFB-LD频率啁啾半导体激光器原理与制造第37页工作特征5.光谱宽度6边模抑制比7上升/下降时间8串联电阻9热阻半导体激光器原理与制造第38页各特征关系半导体激光器原理与制造第39页DFB-LD芯片制造一次外延生长光栅制作二次外延生长脊波导制作欧姆接触、减薄解理成条

9、端面镀膜解理成管芯TO-CAN半导体激光器原理与制造第40页1.光栅制作1.全息曝光2.干法或湿法刻蚀半导体激光器原理与制造第41页2.二次外延生长生长：1.低折射率层2.腐蚀停顿层3.包层4.帽层：接触层半导体激光器原理与制造第42页3.一次光刻一次光刻出双沟图形半导体激光器原理与制造第43页4.脊波导腐蚀选择性腐蚀到四元停顿层 半导体激光器原理与制造第44页5.套刻PECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀半导体激光器原理与制造第45页6.三次光刻：电极图形半导体激光器原理与制造第46页7.欧姆接触P面溅射TiPtAu减薄N面 TiAu半导体激光器原理与制造第47页端面镀膜先解理成条端面

10、镀膜:高反膜增透膜 端面镀膜作用: 1.增大出光功率，2.减小阈值电流 高反膜80-90%，增透膜5-10%半导体激光器原理与制造第48页面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser半导体激光器原理与制造第49页VCSEL 优点 易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片试验；在很宽温度和电流范围内都以单纵模工作； 成品率高、价格低。半导体激光器原理与制造第50页半导体激光器原理与制造第51页半导体激光器原理与制造第52页半导体激光器原理与制造第53页半导体激光器原理与制造第54页半导体激光器原理与制造第55页半导体激光器原理与制造第56页半导体激光器原理与制造第57页半导体激光器原理与制造第58页半导体激光器原理与制造第59页半导体激光器原理与制造第60页半导体激光器原理与制造第61页半导体激光器原理与制造第62页半导体激光器原理与制造第63页半导体激光器原理与制造第64页半导体激光器原理与制造第65页半导体激光器原理与制造第66页半导体激光器原理与制造第67页半导体激光器原理与制造第68页半导体激光器原理与制造第69页半导体激光器原理与制造第70页半导体激光器