半导体激光器原理演示教学

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1、半导体激光器原理半导体激光器原理(yunl)与与制造制造Semiconductor laser diodePrinciple&Fabrication第一页，共77页。主要(zhyo)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(zhzo)工艺5.面发射激光器第二页，共77页。半导体物理(wl)基础知识1.能带理论(lln)2.直接带隙和间接带隙半导体3.能带中电子和空穴的分布4.量子跃迁5.半导体异质结6.半导体激光器的材料选择第三页，共77页。能带理论能带理论:晶体晶体(jngt)中原子中原子能级分裂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

2、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(fnli)，由于原子数目巨大，所以分裂(fnli)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，而导带中没有电子第四页，共77页。导体导体(dot)绝缘体绝缘体 半导体半导体(dot)第五页，共77页。能带中电子和空穴能带中电子和空穴(kn xu)的分布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(biozh)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。第六页，共77页。能带中电子能带中电子(dinz)和空穴的分布和空穴

3、的分布N型半导体中的电子和空穴在能级(nngj)中的分布（热平衡状态）第七页，共77页。能带中电子和空穴能带中电子和空穴(kn xu)的分布的分布P型半导体中的电子和空穴在能级(nngj)中的分布（热平衡状态）第八页，共77页。量子量子(lingz)跃迁跃迁光的自发发射（是半导体发光的基础）光的受激吸收(xshu)（是半导体探测器工作的基础）第九页，共77页。量子量子(lingz)跃迁跃迁光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合(fh)，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。第十页，共77页。量子量子(lingz)跃迁跃迁非辐射跃迁：异

4、质(y zh)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第十一页，共77页。量子量子(lingz)跃迁跃迁特点(tdin)：第十二页，共77页。直接直接(zhji)带隙和间接带隙半导体带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体跃迁几率高，适合(shh)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(xingyng)的声子参与吸收和发射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。第十三页，共77页。半导体异质半导体异质(y zh)结结异质结的作用(zuyng)：异质结对载流子的限制作

5、用(zuyng)异质结对光场的限制作用(zuyng)异质结的高注入比第十四页，共77页。异质结对光场的限制异质结对光场的限制(xinzh)作用作用第十五页，共77页。半导体激光器的材料半导体激光器的材料(cilio)选择选择1-能在所需的波长发光2-晶格(jn)常数与衬底匹配第十六页，共77页。半导体激光器的工作半导体激光器的工作(gngzu)原理原理基本条件：基本条件：1有源区载流子反转分有源区载流子反转分布布2谐振腔：使受激辐射谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡多次反馈，形成振荡(zhndng)3满足阈值条件，使增满足阈值条件，使增益益损耗，有足够的损耗，有足够的注入电流。注入电流。第十

6、七页，共77页。双异质双异质(y zh)结激光器结激光器第十八页，共77页。分别限制分别限制(xinzh)异质结单量子阱激光异质结单量子阱激光器器第十九页，共77页。横模（两个横模（两个(lin)方向）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(zngji)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。第二十页，共77页。横模（侧横模）横模（侧横模）1.强折射率导引(do yn)的掩埋异质结激光器（BH-LD）折射率导引(do yn)激光器（Index guide LD）第二

7、十一页，共77页。横模（侧横模）横模（侧横模）2.弱折射率导引(do yn)激光器：脊波导型激光器（RWG-LD）折射率导引(do yn)激光器（Index guide LD）第二十二页，共77页。横模（侧横模）横模（侧横模）条形(tio xn)激光器增益(zngy)导引激光器(Gain guide LD)第二十三页，共77页。几种典型几种典型(dinxng)的折射率导引激光的折射率导引激光器器第二十四页，共77页。远场特性远场特性(txng)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(ky)使远场更趋向于圆形光斑。减小有源区宽度可以(ky)使高阶模截

8、止。第二十五页，共77页。纵模纵模F-P腔激光器：多纵模工作(gngzu)DFB激光器 单纵模工作(gngzu)第二十六页，共77页。F-P腔激光器腔激光器第二十七页，共77页。第二十八页，共77页。DFB激光器激光器第二十九页，共77页。DFB-LD与与DBR-LD第三十页，共77页。F-P-LD与与DFB-LD的纵模间隔的纵模间隔(jin g)第三十一页，共77页。DFB-LD的增益的增益(zngy)与损耗与损耗第三十二页，共77页。工作工作(gngzu)特性特性1.阈值电流阈值电流 Ith 影响阈值电流的因素：影响阈值电流的因素：有源区的体积：腔长、条宽、厚度有源区的体积：腔长、条宽、厚

9、度材料生长：掺杂、缺陷、均匀性材料生长：掺杂、缺陷、均匀性解理面、镀膜解理面、镀膜电场和光场的限制水平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，随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率内量子效率(xio l)降低，这些都会使降低，这些都会使阈值电流密度增加阈值电流密度增加第三十三页，共77页。工作工作(gngzu)特性特性2.特征温度特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：（表征激光器的温度稳定性）：测试：测试：To =T /Ln（Ith）影响影响To的因素：限制的因素：限制(xinzh)层与有源层的带隙差层与有源层的带隙差 Eg 对对InGaAsP长波长激光器，长波长

10、激光器，To随温度升高而减小随温度升高而减小 Eg第三十四页，共77页。工作工作(gngzu)特性特性3.外微分量子效率外微分量子效率d（斜率效率）：（斜率效率）：可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。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，如果外微分量子效率并不是越大越好，如果(rgu)太太大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件容易被大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件容易被损坏。损坏。第三十五页，共77页。工作工作(gngzu)特性特性4.峰值波长随温度的改变峰值波长随温度的改变b/T：对对F-P-LD，当激光器的温度升高，当激光器的温度升高(

11、shn o)时，时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的有效折射率发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。约为生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为0.5nm/。对对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高率决定，温度升高(shn o)时光栅周期变化很小，时光栅周期变化很小，所以所以b/T小于小于0.1nm/。第三十六页，共77页。F-P-LD与与DFB-LD的频率的频率(pnl)啁啾啁啾第三十七页，共77页。工作工作(gngzu)特性特性5.光谱宽度6边模抑制(yzh)比7上升/下降时间8串联电阻

12、9热阻第三十八页，共77页。各特性各特性(txng)的关系的关系第三十九页，共77页。DFB-LD芯片(xn pin)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(jich)、减薄6.解理成条7.端面镀膜8.解理成管芯9.TO-CAN第四十页，共77页。1.光栅光栅(gungshn)制作制作1.全息(qunx)曝光2.干法或湿法刻蚀第四十一页，共77页。2.二次外延二次外延(wiyn)生长生长生长：1.低折射率层2.腐蚀停止(tngzh)层3.包层4.帽层：接触层第四十二页，共77页。3.一次光刻一次光刻一次光刻出双沟图形(txng)第四十三页，共77页。4.脊波

13、导脊波导(b do)腐蚀腐蚀选择性腐蚀(fsh)到四元停止层 第四十四页，共77页。5.套刻套刻PECVD生长(shngzhng)SiO2自对准光刻SiO2腐蚀第四十五页，共77页。6.三次光刻：电极三次光刻：电极(dinj)图形图形第四十六页，共77页。7.欧姆欧姆(u m)接触接触1.P面溅射(jin sh)TiPtAu2.减薄3.N面 TiAu第四十七页，共77页。端面端面(dunmin)镀膜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(zn d)出光功率，2.减小阈值电流 高反膜80-90%，增透膜5-10%第四十八页，共77页。面发射面发射(fsh)激光器激光器Ve

14、rtical Cavity Surface Emitting Laser第四十九页，共77页。VCSEL 的优点(yudin)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(shyn)；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。第五十页，共77页。第五十一页，共77页。第五十二页，共77页。第五十三页，共77页。第五十四页，共77页。第五十五页，共77页。第五十六页，共77页。第五十七页，共77页。第五十八页，共77页。第五十九页，共77页。第六十页，共77页。第六十一页，共7

15、7页。第六十二页，共77页。第六十三页，共77页。第六十四页，共77页。第六十五页，共77页。第六十六页，共77页。第六十七页，共77页。第六十八页，共77页。第六十九页，共77页。第七十页，共77页。第七十一页，共77页。管芯截面图管芯截面图第七十二页，共77页。湿氮氧化实验湿氮氧化实验(shyn)设备设备第七十三页，共77页。VCSEL 芯片芯片(xn pin)制造制造1 一次光刻、干法(n f)或湿法腐蚀第七十四页，共77页。VCSEL 芯片芯片(xn pin)制造制造2 湿氮氧化(ynghu)第七十五页，共77页。VCSEL 芯片芯片(xn pin)制造制造3 PECVD 生长(shngzhng)SiO2，填充聚酰亚胺 第七十六页，共77页。VCSEL 芯片芯片(xn pin)制造制造4 欧姆(u m)接触第七十七页，共77页。