半导体激光器原理.pptx

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1.能带理论2.直接带隙和间接带隙半导体3.能带中电子和空穴得分布4.量子跃迁5.半导体异质结6.半导体激光器得材料选择能带理论能带理论:晶体中原子能级分裂晶体中原子能级分裂晶体中得电子作共有化运动,所以电子不再属于某一个原子,而就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,所以分裂得能级非常密集,认为就是准连续得,即形成能带电子总就是先填充低能级,0K时,价带中填满了电子,而导带中没有电子导体导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体能带中电子和空穴得分布能带中电子和空穴得分布导带中绝大多数电子分布在导带底。Ef为费米能级,她在能带中得位置直观得标志着电子占据量子态得情况。费米能级位置高,说明有较多能量较高得量子态上有电子。能带中电子和空穴得分布能带中电子和空穴得分布N型半导体中得电子和空穴在能级中得分布(热平衡状态)能带中电子和空穴得分布能带中电子和空穴得分布P型半导体中得电子和空穴在能级中得分布(热平衡状态)量子跃迁量子跃迁光得自发发射(就是半导体发光得基础)光得受激吸收(就是半导体探测器工作得基础)量子跃迁量子跃迁光得受激发射:光子激励导带中得电子与价带中得空穴复合,产生一个所有特征(频率、相位、偏振)完全相同得光子。她就是半导体激光器得工作原理基础。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静量子跃迁量子跃迁非辐射跃迁:1.异质结界面态得复合2.缺陷复合:有源区都就是本征材料3.俄歇复合:对长波长激光器得量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响量子跃迁量子跃迁特点:直接带隙和间接带隙半导体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:始态和终态得波矢不同,必须有相应得声子参与吸收和发射以保持动量守恒,所以跃迁几率低。半导体异质结半导体异质结异质结得作用:异质结对载流子得限制作用异质结对光场得限制作用异质结得高注入比异质结对光场得限制作用异质结对光场得限制作用半导体激光器得材料选择半导体激光器得材料选择1-能在所需得波长发光2-晶格常数与衬底匹配半导体激光器得工作原理半导体激光器得工作原理基本条件基本条件: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,有足够得注入电流。双异质结激光器双异质结激光器分别限制异质结单量子阱激光器分别限制异质结单量子阱激光器横模横模(两个方向两个方向)半导体激光器通常就是单横模(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。垂直横模垂直横模侧横模侧横模垂直横模:由异质结各层得厚度和各层之间得折射率差决定。横模横模(侧横模侧横模)1、强折射率导引得掩埋异质结激光器(BH-LD)折射率导引激光器(Index guide LD)横模横模(侧横模侧横模)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)横模横模(侧横模侧横模)条形激光器增益导引激光器(Gain guide LD)几种典型得折射率导引激光器几种典型得折射率导引激光器远场特性远场特性随有源区厚度及折射率差得减小而减小。随有源区宽度得减小而增大。减小有源区得宽度,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腔激光器腔激光器DFB激光器激光器DFB-LD与与DBR-LDF-P-LD与与DFB-LD得纵模间隔得纵模间隔DFB-LD得增益与损耗得增益与损耗工作特性工作特性1、阈值电流阈值电流 Ith 影响阈值电流得因素:1.有源区得体积:腔长、条宽、厚度2.材料生长:掺杂、缺陷、均匀性3.解理面、镀膜4.电场和光场得限制水平5.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工作特性2、特征温度、特征温度To(表征激光器得温度稳定性表征激光器得温度稳定性):测试:To =T /Ln(Ith)影响To得因素:限制层与有源层得带隙差 Eg 对InGaAsP长波长激光器,To随温度升高而减小 Eg工作特性工作特性3、外微分量子效率外微分量子效率d(斜率效率斜率效率):可以直观得用来比较不同得激光器性能得优劣。d =P/I外微分量子效率并不就是越大越好,如果太大,光功率输出随注入灵敏度太高,器件容易被损坏。工作特性工作特性4、峰值波长随温度得改变峰值波长随温度得改变b/T:对F-P-LD,当激光器得温度升高时,有源区得带隙将变窄,同时波导层得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与与DFB-LD得频率啁啾得频率啁啾工作特性工作特性5、光谱宽度6边模抑制比7上升/下降时间8串联电阻9热阻各特性得关系各特性得关系DFB-LD芯片制造芯片制造1.一次外延生长2.光栅制作3.二次外延生长4.脊波导制作5.欧姆接触、减薄6.解理成条7.端面镀膜8.解理成管芯9.TO-CAN1、光栅、光栅制作制作1、全息曝光2、干法或湿法刻蚀2、二次外延生长、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、一次光刻一次光刻出双沟图形4、脊波导腐蚀、脊波导腐蚀选择性腐蚀到四元停止层 5、套刻、套刻PECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀6、三次光刻、三次光刻:电极图形电极图形7、欧姆接触、欧姆接触1.P面溅射TiPtAu2.减薄3.N面 TiAu端面镀膜端面镀膜先解理成条端面镀膜:高反膜增透膜 端面镀膜得作用:1、增大出光功率,2、减小阈值电流 高反膜80-90%,增透膜5-10%面发射激光器面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting LaserVCSEL 得优点得优点 易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤得有效耦合;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;在很宽得温度和电流范围内都以单纵模工作;成品率高、价格低。管芯截面图管芯截面图湿氮氧化实验设备湿氮氧化实验设备VCSEL 芯片制造芯片制造1 一次光刻、干法或湿法腐蚀VCSEL 芯片制造芯片制造2 湿氮氧化