半导体激光器原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体激光器原理,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.工作特性及参数,4.结构及制造工艺,5.面发射激光器,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,能带中电子和空穴的分布,量子跃迁,半导体异质结,半导体激光器的材料选择,能带理论,:,晶体中原子能级分裂,晶体中的电子作共有化运动，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，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，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,导体 绝缘体 半导体,能带中电子和空穴的分布,导带中绝大多数电子分布在导带底。,Ef为费米能级，它在能带中的位置直观的标志着电子占据量子态的情况。,费米能级位置高，说明有较多能量较高的量子态上有电子。,能带中电子和空穴的分布,N型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）,能带中电子和空穴的分布,P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）,量子跃迁,光的自发发射,（是半导体发光的基础）,光的受激吸收,（是半导体探测器工作的基础）,量子跃迁,光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体激光器的工作原理基础。,量子跃迁,非辐射跃迁：,异质结界面态的复合,缺陷复合：有源区都是本征材料,俄歇复合：对长波长激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响,量子跃迁,特点：,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：始态和终态的,波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发,射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。,半导体异质结,异质结的作用：,异质结对载流子的限制作用,异质结对光场的限制作用,异质结的高注入比,异质结对光场的限制作用,半导体激光器的材料选择,1-能在所需的波长发光,2-晶格常数与衬底匹配,半导体激光器的工作原理,基本条件,：,1有源区载流子反转分布,2谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡,3满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。,双异质结激光器,分别限制异质结单量子阱激光器,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，导致P-I曲线出现扭折,（Kink），,增加了躁声。,垂直横模,侧横模,垂直横模：由异质结各层的厚度和各层之间的折射率差决定。,横模（侧横模）,1.强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD,）,折射率导引激光器,（Index guide LD）,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）,横模（侧横模）,条形激光器,增益,导引激光器(Gain guide LD),几种典型的折射率导引激光器,远场特性,随有源区厚度及折射率差的减小而减小。,随有源区宽度的减小而增大。,减小有源区的宽度，可以使远场更趋向于圆形光斑。,减小有源区宽度可以使高阶模截止。,纵模,F-P腔激光器：,多纵模工作,DFB激光器,单纵模工作,F-P腔激光器,DFB激光器,DFB-LD与DBR-LD,F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔,DFB-LD的增益与损耗,工作特性,1,.,阈值电流,I,th,影响阈值电流的因素：,有源区的体积：腔长、条宽、厚度,材料生长：掺杂、缺陷、均匀性,解理面、镀膜,电场和光场的限制水平,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,工作特性,2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：,测试：To =T /Ln（Ith）,影响To的因素：限制层与有源层的带隙差 Eg,对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小,Eg,工作特性,3.,外微分量子效率,d,（斜率效率）：,可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。,d,=,P/I,外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件容易被损坏。,工作特性,4.峰值波长随温度的改变,b,/T,：,对,F-P-LD,，当激光器的温度升高时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的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变化很小，所以,b,/T小于,0.1nm/,。,F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾,工作特性,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,各特性的关系,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,端面镀膜,解理成管芯,TO-CAN,1.光栅,制作,1.全息曝光,2.干法或湿法刻蚀,2.二次外延生长,生长：,1.低折射率层,2.腐蚀停止层,3.包层,4.帽层：接触层,3.一次光刻,一次光刻出双沟图形,4.脊波导腐蚀,选择性腐蚀到四元停止层,5.套刻,PECVD生长SiO2,自对准光刻,SiO2腐蚀,6.三次光刻：电极图形,7,.欧姆接触,P,面溅射,TiPtAu,减薄,N,面,TiAu,端面镀膜,先解理成条,端面镀膜:高反膜增透膜,端面镀膜的作用:,1.,增大出光功率，,2.减小阈值电流,高反膜,80-90%,，增透膜,5-10%,面发射激光器,Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL,的优点,易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；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、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；成品率高、价格低。,管芯截面图,湿氮氧化实验设备,VCSEL 芯片制造,1,一次光刻、干法或湿法腐蚀,VCSEL 芯片制造,2 湿氮氧化,VCSEL 芯片制造,3 PECVD 生长 SiO2，,填充聚酰亚胺,VCSEL 芯片制造,4 欧姆接触,