半導(dǎo)體激光器原理

半導(dǎo)體激光器原理與制造

SemiconductorlaserdiodePrinciple&Fabrication2021/6/271主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)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2021/6/272半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)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2021/6/273能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電子不再屬于某一個(gè)原子，而是屬于整個(gè)晶體共有晶體中原子間相互作用，導(dǎo)致能級(jí)分裂，由于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級(jí)非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成能帶電子總是先填充低能級(jí)，0K時(shí)，價(jià)帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒(méi)有電子2021/6/274導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體2021/6/275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(jí)，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(jí)位置高，說(shuō)明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子。2021/6/276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(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）2021/6/277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(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）2021/6/278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(cè)器工作的基礎(chǔ)）2021/6/279量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)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)。2021/6/2710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(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響2021/6/2711量子躍遷特點(diǎn)：2021/6/2712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(shí)：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(dòng)量守恒，所以躍遷幾率低。2021/6/2713半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制作用異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用異質(zhì)結(jié)的高注入比2021/6/2714異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用2021/6/2715半導(dǎo)體激光器的材料選擇1-能在所需的波長(zhǎng)發(fā)光2-晶格常數(shù)與襯底匹配2021/6/2716半導(dǎo)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。2021/6/2717雙異質(zhì)結(jié)激光器2021/6/2718分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器2021/6/2719橫模（兩個(gè)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(huì)激發(fā)高階模，導(dǎo)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。2021/6/2720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（IndexguideLD）2021/6/2721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（IndexguideLD）2021/6/2722橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(GainguideLD)2021/6/2723幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器2021/6/2724遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。θ∥

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(yuǎn)場(chǎng)更趨向于圓形光斑。減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。2021/6/2725縱模F-P腔激光器：多縱模工作DFB激光器單縱模工作2021/6/2726F-P腔激光器2021/6/27272021/6/2728DFB激光器2021/6/2729DFB-LD與DBR-LD2021/6/2730F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔2021/6/2731DFB-LD的增益與損耗2021/6/2732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(zhǎng)、條寬、厚度材料生長(zhǎng)：摻雜、缺陷、均勻性解理面、鍍膜電場(chǎng)和光場(chǎng)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(huì)使閾值電流密度增加2021/6/2733工作特性2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：

測(cè)試：To=ΔT/ΔLn（Ith）影響To的因素：限制層與有源層的帶隙差ΔEg

對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，To隨溫度升高而減小

ΔEg2021/6/2734工作特性3.外微分量子效率ηd

（斜率效率）：可以直觀的用來(lái)比較不同的激光器性能的優(yōu)劣。ηd=ΔP/ΔI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。2021/6/2735工作特性4.峰值波長(zhǎng)隨溫度的改變?chǔ)う薭/ΔT：對(duì)F-P-LD，當(dāng)激光器的溫度升高時(shí)，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時(shí)波導(dǎo)層的有效折射率發(fā)生改變，峰值波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。約為0.5nm/℃

。對(duì)DFB-LD，激射波長(zhǎng)主要由光柵周期和等效折射率決定，溫度升高時(shí)光柵周期變化很小，所以Δλb/ΔT小于0.1nm/℃

。2021/6/2736F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾2021/6/2737工作特性5.光譜寬度6邊模抑制比7上升/下降時(shí)間8串聯(lián)電阻9熱阻2021/6/2738各特性的關(guān)系2021/6/2739DFB-LD芯片制造一次外延生長(zhǎng)光柵制作二次外延生長(zhǎng)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-CAN2021/6/27401.光柵制作1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕2021/6/27412.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：1.低折射率層2.腐蝕停止層3.包層4.帽層：接觸層2021/6/27423.一次光刻一次光刻出雙溝圖形2021/6/27434.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層2021/6/27445.套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2自對(duì)準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕2021/6/27456.三次光刻：電極圖形2021/6/27467.歐姆接觸P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu2021/6/2747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%2021/6/2748面發(fā)射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaser2021/6/2749VCSEL的優(yōu)點(diǎn)●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；

●圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合；

●有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；

●芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)；

●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(jià)格低。2021/6/27502021/6/27512021/6/27522021/6/27532021/6/27542021/6/27552021/6/27562021/6/27572021/6/27582021/6/27592021/6/27602021/6/27612021/6/27622021/6/27632021/6/27642021/6/27652021/6/27662021/6/27672021/6/27682021/6/27692021/6/27702021/6/2771管芯截