半導(dǎo)體激光器工作原理教學(xué)文案

半導(dǎo)體激光器工作(gōngzuò)原理及基本結(jié)構(gòu)李璟第一頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器工作原理及基本(jīběn)結(jié)構(gòu)工作(gōngzuò)原理分類材料及器件結(jié)構(gòu)第二頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器工作(gōngzuò)原理半導(dǎo)體激光器是一種在電流(diànliú)注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長基本相同、強度較大）的光電子器件。第三頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器工作(gōngzuò)原理工作三要素：受激光(jīguāng)輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。第四頁，共15頁。自發(fā)(zìfā)光輻射和受激光輻射自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管）當(dāng)給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在激活區(qū)電子和空穴自發(fā)地復(fù)合形成電子-空穴對，將多余的能量(néngliàng)以光子的形式釋放出來，所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。受激光輻射（半導(dǎo)體激光器）在材料設(shè)計時，考慮將p區(qū)和n區(qū)重摻雜等工藝，使得輻射光嚴格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射。第五頁，共15頁。法布里-珀羅諧振腔(形成(xíngchéng)相干光)垂直于結(jié)面的兩個平行的晶體解理面形成(xíngchéng)法布里-珀羅諧振腔，兩個解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個端面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率.一定波長的受激光輻射在諧振腔內(nèi)形成(xíngchéng)振蕩的條件:腔長=半波長的整數(shù)倍L=m(λ/2n)第六頁，共15頁。增益(zēngyì)和閾值電流增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強。損耗：受激輻射在諧振腔中來回(láihuí)反射時的能量損耗。包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。閾值電流：增益等于損耗時的注入電流。第七頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器的分類（材料(cáiliào)和波長）可見光：GaAs襯底InGaN/GaAs480~490nm藍綠光InGaAlP/GaAs630~680nmAlGaAs/GaAs720~760nm近紅外長波長(bōcháng)：GaAs襯底AlGaAs/GaAs760~900nmInGaAs/GaAs980nm遠紅外長波長(bōcháng)：InP襯底InGaAsP/InP1.3um1.48um1.55um第八頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器材料和器件(qìjiàn)結(jié)構(gòu)808大功率激光器結(jié)構(gòu)(jiégòu)第九頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器材料(cáiliào)生長采用MOCVD方法制備外延層，外延層包括緩沖層、限制層、有源層、頂層、帽層。有源層包括上下波導(dǎo)層和量子(liàngzǐ)阱。有源層的帶隙比P型和N型限制層的小，折射率比它們大，因此由P面和N面注入的空穴和電子會限制在有源區(qū)中，它們復(fù)合產(chǎn)生的光波又能有效地限制在波導(dǎo)層中。大大提高了輻射效率。最上面的一層材料（帽層）采用高摻雜，載流子濃度高，目的是為了與P面金屬電極形成更好的歐姆接觸，降低歐姆接觸電阻。第十頁，共15頁。半導(dǎo)體激光器器件(qìjiàn)制備大片工藝包括：材料頂層光刻腐蝕出條形(tiáoxínɡ)、氧化層制備光刻、P面和N面電極制備、襯底減薄。條形(tiáoxínɡ)結(jié)構(gòu)：在平行于結(jié)平面方向上也希望同垂直方向一樣對載流子和光波進行限制，因此引進了條形(tiáoxínɡ)結(jié)構(gòu)。條形(tiáoxínɡ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：1.使注入電流限制在條形(tiáoxínɡ)有源區(qū)內(nèi)，限制載流子的側(cè)向擴散，使閾值電流降低；2.有源區(qū)工作時產(chǎn)生的熱量能通過周圍四個方向的無源區(qū)傳遞而逸散，提高器件的散熱性能；3.有源區(qū)尺寸減小了，提高材料均勻的可能性；4.器件的可靠性提高、效率提高、遠場特性改善。

第十一頁，共15頁。條形(tiáoxínɡ)結(jié)構(gòu)類型從對平行于結(jié)平面方向的載流子和光波限制情況可分為增益波導(dǎo)(bōdǎo)條形激光器(普通條形)和折射率波導(dǎo)(bōdǎo)條形激光器(掩埋條形、脊形波導(dǎo)(bōdǎo))。第十二頁，共15頁。增益波導(dǎo)條形(tiáoxínɡ)激光器(普通條形(tiáoxínɡ))特點：只對注入電流的側(cè)向擴展和注入載流子的側(cè)向擴散有限制作用，對光(duìguāng)波側(cè)向滲透沒有限制作用。我們的808大功率激光器屬于這種結(jié)構(gòu)：把p+重摻雜層光刻成條形，限制電流從條形部分流入。但是在有源區(qū)的側(cè)向仍是相同的材料，折射率是一樣的，對光(duìguāng)場的側(cè)向滲透沒有限制作用，造成遠場雙峰或多峰、光斑不均勻，同時閾值高、光譜寬、多縱摸工作，有時會出現(xiàn)扭折問題。第十三頁，共15頁。折射率波導(dǎo)條形(tiáoxínɡ)激光器（掩埋條形(tiáoxínɡ)）特點：不僅對注入電流的側(cè)向擴展和注入載流子的側(cè)向擴散有限制作用，而且對光波側(cè)向滲透也有限制作用。InP襯底的1310nm、1480nm激光器屬于這種結(jié)構(gòu)，需要三次外延生長。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：條形有源區(qū)的側(cè)向?qū)d流子和光場都有限制，輻射(fúshè)光絲穩(wěn)定，能夠單膜工作，遠場單峰、光斑均勻，光譜窄、閾值低、可靠性高。第十四頁，共15頁。弱折射率波導(dǎo)(bōdǎo)條形激光器（脊形波導(dǎo)(bōdǎo)）