半導體激光器原理.ppt

半導體激光器原理與制造,Semiconductor laser diode Principle&Fabrication,1,主要內(nèi)容,1.半導體物理基礎(chǔ)知識 2.半導體激光器工作原理 3.工作特性及參數(shù) 4.結(jié)構(gòu)及制造工藝 5.面發(fā)射激光器,2,半導體物理基礎(chǔ)知識,能帶理論 直接帶隙和間接帶隙半導體 能帶中電子和空穴的分布 量子躍遷 半導體異質(zhì)結(jié) 半導體激光器的材料選擇,3,能帶理論:晶體中原子能級分裂,晶體中的電子作共有化運動，所以電子不再屬于某一個原子，而是屬于整個晶體共有 晶體中原子間相互作用，導致能級分裂，由于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級非常密集，認為是準連續(xù)的，即形成能帶 電子總是先填充低能級，0K時，價帶中填滿了電子，而導帶中沒有電子,4,導體 絕緣體 半導體,5,能帶中電子和空穴的分布,導帶中絕大多數(shù)電子分布在導帶底。 Ef為費米能級，它在能帶中的位置直觀的標志著電子占據(jù)量子態(tài)的情況。 費米能級位置高，說明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子。,6,能帶中電子和空穴的分布,N型半導體中的電子和空穴在能級中的分布（熱平衡狀態(tài)）,7,能帶中電子和空穴的分布,P型半導體中的電子和空穴在能級中的分布（熱平衡狀態(tài)）,8,量子躍遷,光的自發(fā)發(fā)射 （是半導體發(fā)光的基礎(chǔ)） 光的受激吸收 （是半導體探測器工作的基礎(chǔ)）,9,量子躍遷,光的受激發(fā)射：光子激勵導帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合，產(chǎn)生一個所有特征（頻率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半導體激光器的工作原理基礎(chǔ)。,10,量子躍遷,非輻射躍遷： 異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合 缺陷復(fù)合：有源區(qū)都是本征材料 俄歇復(fù)合：對長波長激光器的量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響,11,量子躍遷,特點：,12,直接帶隙和間接帶隙半導體,直接帶隙半導體躍遷幾率高， 適合做有源區(qū)發(fā)光材料 （如GaAs，InP，AlGaInAs）,間接帶隙半導體電子躍遷時：始態(tài)和終態(tài)的 波矢不同，必須有相應(yīng)的聲子參與吸收和發(fā) 射以保持動量守恒，所以躍遷幾率低。,13,半導體異質(zhì)結(jié),異質(zhì)結(jié)的作用： 異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用 異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用 異質(zhì)結(jié)的高注入比,14,異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用,15,半導體激光器的材料選擇,1-能在所需的波長發(fā)光 2-晶格常數(shù)與襯底匹配,16,半導體激光器的工作原理,基本條件： 1有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布 2諧振腔：使受激輻射多次反饋，形成振蕩 3滿足閾值條件，使增益損耗，有足夠的注入電流。,17,雙異質(zhì)結(jié)激光器,18,分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器,19,橫模（兩個方向）,半導體激光器通常是單橫模（基模）工作。 當高溫工作，或電流加大到一定程度，會激發(fā)高階模，導致P-I曲線出現(xiàn)扭折（Kink），增加了躁聲。 垂直橫模 側(cè)橫模 垂直橫模：由異質(zhì)結(jié)各層的厚度和各層之間的折射率差決定。,20,橫模（側(cè)橫模）,1.強折射率導引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器（BH-LD）,折射率導引激光器（Index guide LD）,21,橫模（側(cè)橫模）,2.弱折射率導引激光器：脊波導型激光器（RWG-LD）,折射率導引激光器（Index guide LD）,22,橫模（側(cè)橫模）,條形激光器,增益導引激光器(Gain guide LD),23,幾種典型的折射率導引激光器,24,遠場特性,隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。 隨有源區(qū)寬度的減小而增大。 減小有源區(qū)的寬度，可以使遠場更趨向于圓形光斑。 減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。,25,縱模,F-P腔激光器： 多縱模工作 DFB激光器 單縱模工作,26,F-P腔激光器,27,28,DFB激光器,29,DFB-LD與DBR-LD,30,F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔,31,DFB-LD的增益與損耗,32,工作特性,1.閾值電流 Ith 影響閾值電流的因素： 有源區(qū)的體積：腔長、條寬、厚度 材料生長：摻雜、缺陷、均勻性 解理面、鍍膜 電場和光場的限制水平 隨溫度增加，損耗系數(shù)增加，漏電流增加，內(nèi)量子效率降低，這些都會使閾值電流密度增加,33,工作特性,2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）： 測試：To = T / Ln（Ith） 影響To的因素：限制層與有源層的帶隙差 Eg 對InGaAsP長波長激光器，To隨溫度升高而減小 Eg,34,工作特性,3.外微分量子效率d （斜率效率）： 可以直觀的用來比較不同的激光器性能的優(yōu)劣。 d = P / I 外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率輸出隨注入靈敏度太高，器件容易被損壞。,35,工作特性,4. 峰值波長隨溫度的改變b / T： 對F-P-LD，當激光器的溫度升高時，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時波導層的有效折射率發(fā)生改變，峰值波長將向長波長方向移動。約為0.5nm/ 。 對DFB-LD，激射波長主要由光柵周期和等效折射率決定，溫度升高時光柵周期變化很小，所以b / T小于0.1nm / 。,36,F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾,37,工作特性,5.光譜寬度 6邊模抑制比 7上升/下降時間 8串聯(lián)電阻 9熱阻,38,各特性的關(guān)系,39,2019/10/27,40,DFB-LD芯片制造,一次外延生長 光柵制作 二次外延生長 脊波導制作 歐姆接觸、減薄 解理成條 端面鍍膜 解理成管芯 TO-CAN,41,1.光柵制作,1.全息曝光 2.干法或濕法刻蝕,42,2.二次外延生長,生長： 1.低折射率層 2.腐蝕停止層 3.包層 4.帽層：接觸層,43,3.一次光刻,一次光刻出雙溝圖形,44,4.脊波導腐蝕,選擇性腐蝕到四元停止層,45,5.套刻,PECVD生長SiO2 自對準光刻 SiO2腐蝕,46,6.三次光刻：電極圖形,47,7.歐姆接觸,P面濺射TiPtAu 減薄 N面 TiAu,48,端面鍍膜,先解理成條 端面鍍膜:高反膜增透膜 端面鍍膜的作用: 1.增大出光功率，2.減小閾值電流 高反膜80-90%，增透膜5-10%,49,面發(fā)射激光器,Vertical Cavity Surface Emitting Laser,50,VCSEL 的優(yōu)點,易于實現(xiàn)二維平面和光電集成； 圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合； 有源區(qū)尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流； 芯片生長后無須解理、封裝即可進行在片實驗； 在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作； 成品率高、價格低。,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,管芯