半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu)

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1、半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu),李璟,半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu),工作原理 分類 材料及器件結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體激光器工作原理,半導(dǎo)體激光器 是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長(zhǎng)基本相同、強(qiáng)度較大）的光電子器件。,半導(dǎo)體激光器工作原理,工作三要素： 受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。,自發(fā)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(shí)，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(duì)，將多余的能量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

2、） 在材料設(shè)計(jì)時(shí)，考慮將p區(qū)和n區(qū)重?fù)诫s等工藝，使得輻射光嚴(yán)格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強(qiáng)度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射。,法布里-珀羅諧振腔 (形成相干光),垂直于結(jié)面的兩個(gè)平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔 ，兩個(gè)解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個(gè)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(zhǎng)的受激光輻射在諧振腔內(nèi)形成振蕩的條件: 腔長(zhǎng)=半波長(zhǎng)的整數(shù)倍 L=m(/2n),增益和閾值電流,增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強(qiáng)。 損耗：受激輻射在諧振腔中來回反射時(shí)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

3、耗時(shí)的注入電流。,半導(dǎo)體激光器的分類（材料和波長(zhǎng)）,可見光： GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480490nm 藍(lán)綠光 InGaAlP/GaAs 630680nm AlGaAs/GaAs 720760nm 近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)： GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760900nm InGaAs/GaAs 980nm 遠(yuǎn)紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)： InP襯底 InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um,半導(dǎo)體激光器材料和器件結(jié)構(gòu),808大功率激光器結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體激光器材料生長(zhǎng),采用MOCVD方法制備外延層，外延層包括緩

4、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(huì)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。,半導(dǎo)體激光器器件制備,大片工藝包括：材料頂層光刻腐蝕出條形、氧化層制備光刻、P面和N面電極制備、襯底減薄。 條形結(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(duì)載流子和光波進(jìn)行限制，因此引進(jìn)了條形結(jié)構(gòu)。 條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 1. 使注入電流限制在條形有

5、源區(qū)內(nèi)，限制載流子的側(cè)向擴(kuò)散， 使 閾值電流降低； 2. 有源區(qū)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過周圍四個(gè)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(yuǎn)場(chǎng)特性改善。,條形結(jié)構(gòu)類型,從對(duì)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)條形激光器(普通條形)和折射率波導(dǎo)條形激光器(掩埋條形、脊形波導(dǎo))。,增益波導(dǎo)條形激光器 (普通條形),特點(diǎn)：只對(duì)注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)散有限制作用，對(duì)光波側(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?fù)诫s層光刻成條形，限制電流從條形部分流入。但

6、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(duì)光場(chǎng)的側(cè)向滲透沒有限制作用，造成遠(yuǎn)場(chǎng)雙峰或多峰、光斑不均勻，同時(shí)閾值高、光譜寬、多縱摸工作，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)扭折問題。,折射率波導(dǎo)條形激光器（掩埋條形）,特點(diǎn)：不僅對(duì)注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)散有限制作用，而且對(duì)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(zhǎng)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：條形有源區(qū)的側(cè)向?qū)d流子和光場(chǎng)都有限制，輻射光絲穩(wěn)定，能夠單膜工作，遠(yuǎn)場(chǎng)單峰、光斑均勻，光譜窄、閾值低、可靠性高。,,,,,弱折射率波導(dǎo)條形激光器（脊形波導(dǎo)）,特點(diǎn)：在側(cè)向?qū)獠ǖ挠幸欢ㄏ拗谱饔茫跅l形有源區(qū)上方腐蝕出一個(gè)脊（寬度大約34um)，腐蝕深度大概1.52um, 腐蝕一部分上限制層。由于腐蝕深度較深，在側(cè)向形成一定的折射率臺(tái)階，對(duì)側(cè)向光波有較弱的限制作用。,