半導(dǎo)體激光器原理ppt課件

1、1半導(dǎo)體激光器原理與制造半導(dǎo)體激光器原理與制造Semiconductor laser diodePrinciple&Fabrication2主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識2.半導(dǎo)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3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體能帶中電子和空穴的分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的材料選擇4能帶理論能帶理論:晶體中原子能級分裂晶體中原子能級分裂晶體中的電子作共有化運(yùn)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(dǎo)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(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成

2、能帶電子總是先填充低能級，0K時，價帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒有電子5導(dǎo)體導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體6能帶中電子和空穴的分布能帶中電子和空穴的分布導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底。Ef為費(fèi)米能級，它在能帶中的位置直觀的標(biāo)志著電子占據(jù)量子態(tài)的情況。費(fèi)米能級位置高，說明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子。7能帶中電子和空穴的分布能帶中電子和空穴的分布N型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級中的分布（熱平衡狀態(tài)）8能帶中電子和空穴的分布能帶中電子和空穴的分布P型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級中的分布（熱平衡狀態(tài)）9量子躍遷量子躍遷光的自發(fā)發(fā)射（是半導(dǎo)體發(fā)光的基礎(chǔ)）光的受激吸收（是半導(dǎo)體探測器工作的基礎(chǔ)）10量子躍

3、遷量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵導(dǎo)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(dǎo)體激光器的工作原理基礎(chǔ)。11量子躍遷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1.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12量子躍遷量子躍遷特點：13直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)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(dǎo)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。14半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異

4、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15異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用16半導(dǎo)體激光器的材料選擇半導(dǎo)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17半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件基本條件：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。18雙異質(zhì)結(jié)激光器雙異質(zhì)結(jié)激光器19分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器20橫模（兩個方向）橫模（兩個方向）半導(dǎo)體激光器通常是單橫模（基模）工作。當(dāng)高溫工作，或電流加大到一定程度，會激發(fā)高階模，

5、導(dǎo)致P-I曲線出現(xiàn)扭折（Kink），增加了躁聲。垂直橫模垂直橫模側(cè)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。21橫模（側(cè)橫模）橫模（側(cè)橫模）1.強(qiáng)折射率導(dǎo)引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器（BH-LD）折射率導(dǎo)引激光器（Index guide LD）22橫模（側(cè)橫模）橫模（側(cè)橫模） 2.弱折射率導(dǎo)引激光器：脊波導(dǎo)型激光器（RWG-LD）折射率導(dǎo)引激光器（Index guide LD）23橫模（側(cè)橫模）橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(Gain guide LD)24幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器25遠(yuǎn)場特性遠(yuǎn)場特性隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。 隨有源

6、區(qū)寬度的減小而增大。減小有源區(qū)的寬度，可以使遠(yuǎn)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。26縱?？v模F-P腔激光器： 多縱模工作DFB激光器 單縱模工作27F-P腔激光器腔激光器2829DFB激光器激光器30DFB-LD與與DBR-LD31F-P-LD與與DFB-LD的縱模間隔的縱模間隔32DFB-LD的增益與損耗的增益與損耗33工作特性工作特性1.閾值電流閾值電流 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34工作特性工作特性2

7、.特征溫度特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：（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 Eg35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。36工作特性工作特性4. 峰值波長隨溫度的改變峰值波長隨溫度的改變b / T： 對F-P-LD，當(dāng)激光器的溫度升高時，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時波導(dǎo)層的

8、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 / 。37F-P-LD與與DFB-LD的頻率啁啾的頻率啁啾38工作特性工作特性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39各特性的關(guān)系各特性的關(guān)系40DFB-LD芯片制造芯片制造一次外延生長光柵制作二次外延生長脊波導(dǎo)制作歐姆接觸、減薄解理成條端面鍍膜解理成管芯TO-CAN411.光柵光柵制作制作1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕422.二次外延生長二次外延生長生長：1.低折射率層2.腐蝕停止層3.包層

9、4.帽層：接觸層433.一次光刻一次光刻一次光刻出雙溝圖形444.脊波導(dǎo)腐蝕脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層 455.套刻套刻PECVD生長SiO2自對準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕466.三次光刻：電極圖形三次光刻：電極圖形477.歐姆接觸歐姆接觸P面濺射TiPtAu減薄N面 TiAu48端面鍍膜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)射激光器面發(fā)射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser50VCSEL 的優(yōu)點的優(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(jìn)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。51525354555657585960616263646566676869