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半导体激光器原理与制造 SemiconductorlaserdiodePrinciple Fabrication 1 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 2 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 3 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 4 导体绝缘体半导体 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 量子跃迁 特点 12 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 13 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 14 异质结对光场的限制作用 15 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 16 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 17 双异质结激光器 18 分别限制异质结单量子阱激光器 19 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 20 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 IndexguideLD 21 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 IndexguideLD 22 横模 侧横模 条形激光器 增益导引激光器 GainguideLD 23 几种典型的折射率导引激光器 24 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 25 纵模 F P腔激光器 多纵模工作DFB激光器单纵模工作 26 F P腔激光器 27 28 DFB激光器 29 DFB LD与DBR LD 30 F P LD与DFB LD的纵模间隔 31 DFB LD的增益与损耗 32 工作特性 1 阈值电流Ith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 33 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 34 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 35 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 36 F P LD与DFB LD的频率啁啾 37 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 38 各特性的关系 39 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 40 1 光栅制作 1 全息曝光2 干法或湿法刻蚀 41 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 42 3 一次光刻 一次光刻出双沟图形 43 4 脊波导腐蚀 选择性腐蚀到四元停止层 44 5 套刻 PECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀 45 6 三次光刻 电极图形 46 7 欧姆接触 P面溅射TiPtAu减薄N面TiAu 47 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 48 面发射激光器 VerticalCavitySurfaceEmittingLaser 49 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 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66