半導(dǎo)體激光器原理.ppt

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1、半導(dǎo)體激光器原理與制造,Semiconductor laser diode Principle&Fabrication,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,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,能帶理論: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,即形成能帶 電子總是先填充低能級,

2、0K時,價帶中填滿了電子,而導(dǎo)帶中沒有電子,導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體,,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。,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)),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)),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)),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

3、相同的光子。它是半導(dǎo)體激光器的工作原理基礎(chǔ)。,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,量子躍遷,特點(diǎn):,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。,半導(dǎo)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,異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用,,半導(dǎo)體激光器的材料選擇,1-能在所需

4、的波長發(fā)光 2-晶格常數(shù)與襯底匹配,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。,雙異質(zhì)結(jié)激光器,,分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器,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,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。,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),橫模(側(cè)橫模),2.弱

5、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),橫模(側(cè)橫模),條形激光器,增益導(dǎo)引激光器(Gain guide LD),幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器,,,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。,縱模,F-P腔激光器: 多縱模工作 DFB激光器 單縱模工作,F-P腔激光器,,,,DFB激光器,,DFB-LD與DBR-LD,,F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔,,DFB-LD的增益與損耗,,工作特性,1.閾值電流 Ith 影

6、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,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,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 /

7、 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。,工作特性,4. 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 / 。,F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾,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,各特性的關(guān)系,DFB-LD芯片制造,一次外延生長 光柵制作 二次外延生長 脊波

8、導(dǎo)制作 歐姆接觸、減薄 解理成條 端面鍍膜 解理成管芯 TO-CAN,1.光柵制作,1.全息曝光 2.干法或濕法刻蝕,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,3.一次光刻,一次光刻出雙溝圖形,4.脊波導(dǎo)腐蝕,選擇性腐蝕到四元停止層,5.套刻,PECVD生長SiO2 自對準(zhǔn)光刻 SiO2腐蝕,6.三次光刻:電極圖形,7.歐姆接觸,P面濺射TiPtAu 減薄 N面 TiAu,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%,面發(fā)射激光器,Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL 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;芯片生長后無須解理、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、價格低。,,管芯截面圖,濕氮氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)備,VCSEL 芯片制造,1 一次光刻、干法或濕法腐蝕,VCSEL 芯片制造,2 濕氮氧化,VCSEL 芯片制造,3 PECVD 生長 SiO2, 填充聚酰亞胺,VCSEL 芯片制造,4 歐姆接觸,

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