第5章 半导体激光器效率参数

.,上节课回顾：1、增益谱及阈值增益；2、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制；3、半导体激光器中的光场模式,.,半导体激光器典型测试曲线,P-I,U-I以及光电转换效率曲线,.,阈值电流密度,有源区内的局部增益是均匀分布的，则模增益,分别是对应模式的增益和限制因子,为局部阂值增益系数,是镜面末端损耗,是内部损耗,.,afc是有源区内的自由载流子吸收系数aout波导层中的吸收系数(主要也是自由载流子吸收)as是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数ac是辐射渗入波导层的损耗系数,Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流J2为有源区电流密度；i为内量子效率；Q2为谐振腔品质因素；,.,1、功率效率加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率,半导体激光器的几个效率参数,降低rs，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也有利于功率效率的提高。,.,2、内量子效率,半导体激光器的几个效率参数,由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的每一个电子空穴对不能100的产生辐射复合，即i总是小于1，但一般也有95以上，是转换效率很高的激光器件。,.,3、外量子效率,半导体激光器的几个效率参数,ex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。因为激光器有激射的阈值特性，所以当IIth时，P直线上升，ex变大。,.,半导体激光器的几个效率参数,4斜率效率(外微分量子效率,P-I曲线的斜率),.,半导体激光器的特征温度,半导体激光器温度稳定性的衡量,.,半导体激光器制备流程图,.,外延材料生长,.,半导体激光器电极制作过程,.,半导体激光器电极制作过程,.,N面低掺杂GaAs衬底采用GeAuNi/TiAuP面高掺杂采用TiPtAu形成欧姆接触,半导体激光器表面金属化,.,半导体激光器腔面的要求,半导体外延片解理形成腔面；腔面的钝化；前后腔面镀膜。,waferdiameter:3“chipsize:2mmx0.5mmnumberofchips:2000,.,半导体激光器腔面钝化技术,减小腔面光吸收增加腔面材料禁带宽度；减小腔面氧化硫化技术、真空解理、无铝有源区；减小腔面附近焦耳热。,目前腔面COD最高水平大于100mW/um,.,电极窗口技术,.,Bar的制备工艺,与单元器件基本一致；材料均匀性要求更高；每一步制作工艺可靠性要求更高；,waferdiameter:3“wavelengthDluniformity:Dl=2nmchipsize:2mmx0.5mmnumberofbars:100-200,.,Bar内“超模”的抑制,超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar整体效率。,.,电极和热沉,.,END,.,Bar的封装与散热,机械稳定性；电连接；散热问题；,以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功率50W/bar，腔长为1mm，热流密度为500W/cm2,.,典型的封装形式,Barp面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极；热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉；N面电连接采用Cu箔或金丝引线。,发光方向,电流方向,热散出方向,上电极,下电极,.,Bar的n面电连接,.,Bar与热沉的焊接,难点：位置的控制,.,Bar与热沉的焊接,难点：焊层内部空洞问题产生原因：1、固化过程中的“出气”；2、焊料氧化，浸润性变差。,.,Bar焊接焊料的选择,软焊料纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别较大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如：CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。硬焊料AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差别非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合金热沉。,.,In焊料的缺点,极限寿命为104小时左右；光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效应）；不利于更高功率工作（连续输出功率120W/bar）；工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时；控制激光bar结温55。,.,Bar焊接的“Smile”效应,.,Bar封装时的应力特性,由于bar的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉热膨胀系数不一致引入应力。,.,半导体激光器的工作状态,按电流的持续时间分：1、连续（CW）2、准连续（QCW）3、脉冲（pulse）,按电流的变化程度分：1、连续（CW）2、软脉冲（Softpulse）3、硬脉冲（Hardpulse）,.,不同脉宽情况下的热效应,.,低占空比硬脉冲工作状态,.,AuSn焊料的特点,高温、高电流密度条件下稳定性好；激光bar结温可允