半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展-第八組

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1、半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,主講人：劉曉凱 劉磊 資料收集與整理：潘春仁 易亮 PPT整理：劉曉凱,半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史 二、半導(dǎo)體激光器的工作原理 三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝 四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀 五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,激光是20 世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。 1916 年愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了激光的原理，1960 年激光被首次制造。半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器,又稱半導(dǎo)體激光二極管(LD),是20世紀(jì)

2、60年代發(fā)展起來的一種激光器。 常用的半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)有幾十種，例如砷化鎵(GaAs)，硫化鎘(CdS)等。激勵方式主要有電注入式，光泵式和高能電子束激勵式三種。半導(dǎo)體激光器從最初的低溫(77K)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作；從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成單異質(zhì)結(jié)，雙異質(zhì)結(jié)，量子阱(單，多量子阱)等多種形式。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,早在上個(gè)世紀(jì) 50 年代，隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展及晶體管的發(fā)明，人們便設(shè)想發(fā)明半導(dǎo)體激光器。60 年代初，這方面的理論研究紛紛展開。 1961 年，前蘇聯(lián)科學(xué)院院士，莫斯科列別捷夫物理所的尼古拉巴索夫（N. G.. Basov）提出受激輻射能夠在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的理論

3、。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,1962 年 7 月，美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者奎斯特（Quist）和克耶斯（Keyes）在固體器件研究國際會議上，報(bào)告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象。 同年 9 月，霍爾（Hall）是通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室的工程師，他采用擴(kuò)散技術(shù)制備了 GaAs 的 P-N 結(jié)，獲得了低溫脈沖工作的GaAs 同質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。同質(zhì)結(jié)激光器具有厚度為微米量級的有源層，需要足夠的電子和空穴注入來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，因此閾值電流密度高達(dá) 105-106A/cm2；而且這種激光器溫度效應(yīng)明顯，注入載流子的復(fù)合效率低，不能夠在室溫下連續(xù)工作。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,1963 年，異質(zhì)結(jié)的

4、概念由前蘇聯(lián)科學(xué)院的阿爾費(fèi)洛夫（Alferov）和美國的克羅默（Kroemer）提出。 1968 年到 1970 年期間，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的潘尼希（Panish）等研制出 AlGaAs/GaAs 單異質(zhì)結(jié)激光器，閾值電流密度為 8.6103A/cm2，實(shí)現(xiàn)了室溫下的脈沖工作，這標(biāo)志著半導(dǎo)體激光器進(jìn)入了異質(zhì)結(jié)注入型激光器（SHLD）的發(fā)展階段。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,1970 年，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器(DH-LD)由前蘇聯(lián)科學(xué)院約飛（loffe）物理研究所的阿爾費(fèi)洛夫(Alferov)等人研究成功。室溫下的閾值電流密度比單異質(zhì)結(jié)激光器的降低了一個(gè)數(shù)量級，電光轉(zhuǎn)換效率也得到了大幅度的提高。與

5、此同時(shí)，超晶格中的量子效應(yīng)由美國 IBM 公司的江琦（L.Esaki）和朱兆祥（R.Tsu）首先提出，并且制備出了具有超晶格結(jié)構(gòu)的 GaAs 半導(dǎo)體材料。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,1975年，范德齊爾（J.P.Vanderziel）等人首先采用 MBE (分子束外延）方法制備了 AlGaAs/GaAs 材料的量子阱激光器從此半導(dǎo)體激光器進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展階段。 1977 年，杜普伊斯（Dupuis）等人研制出了閾值電流密度為 3kA/cm2的量子阱激光器。 1979 年，14 個(gè)量子阱的 AlGaAs 激光器由曾煥添（Won T. Tsang）用 MBE 生長得到，在室溫下工作時(shí)其閾值電流密

6、度為 2kA/cm2。隨后，曾煥添在對單量子阱激光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了光電分別限制的梯度折射率波導(dǎo)（GRIN-SCH）結(jié)構(gòu)，制備出的激光器閾值電流密度僅為 60A/cm2，內(nèi)量子效率高達(dá) 95%。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,在20世紀(jì)80年代后期，人們又提出了應(yīng)變量子阱激光器的結(jié)構(gòu)，其閥值電流密度可降至約65A/cm2。 1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了只有電子參加的基于子帶躍遷和共振隧道機(jī)理上的量子級聯(lián)激光器，突破了二極管激光器材料體系對發(fā)射波長的限制，將發(fā)射波長推至4um-17um中遠(yuǎn)紅外波段。AlGalnP體系為可見波段紅光波段。 1996年日本成功地研制出GaN基半導(dǎo)體量子阱激

7、光器，將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波段推向了紫外至藍(lán)紫波段。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,這些成果證明了量子阱激光器的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于雙異質(zhì)結(jié)激光器，奠定了量子阱激光器在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，同時(shí)推動了整個(gè)光電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。 隨著能帶工程理論的運(yùn)用，晶體外延材料生長工藝以及半導(dǎo)體制作工藝的不斷發(fā)展和成熟，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，新材料、新波段和新結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器不斷涌現(xiàn)，如應(yīng)變量子阱激光器、分布反饋激光器、垂直腔面發(fā)射激光器、外腔激光器、量子阱級聯(lián)激光器、量子點(diǎn)激光器、微腔激光器、光子晶體激光器、寬帶隙 GaN 基半導(dǎo)體激光器等。,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史,縱觀半導(dǎo)體激光器近五十年的發(fā)展

8、歷史，結(jié)構(gòu)從同質(zhì)結(jié)發(fā)展到量子阱，波長從 GaAs 基的紅光發(fā)射到 GaN 基的藍(lán)紫光發(fā)射已幾乎涵蓋全波段，連續(xù)輸出功率可達(dá)上萬瓦，壽命可長達(dá)上百萬小時(shí)。新世紀(jì)以來，半導(dǎo)體激光器應(yīng)用上的需求對其各方面性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，如何實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的大功率、高亮度和高可靠性已成為進(jìn)一步發(fā)展LD技術(shù)產(chǎn)業(yè)和拓寬市場應(yīng)用面臨的三個(gè)關(guān)鍵問題。 如今半導(dǎo)體激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生活、工業(yè)甚至國防，例如激光打標(biāo)、激光手術(shù)刀、激光武器等。利用激光照射核燃料使之發(fā)生核聚變反應(yīng)，這樣激光還可以用于核反應(yīng)的控制。已經(jīng)成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)，受到了世界各國的高度重視。,半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,一、半導(dǎo)體激

9、光器的發(fā)展歷史 二、半導(dǎo)體激光器的工作原理 三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝 四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀 五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,二、半導(dǎo)體激光器的工作原理,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài) 2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié) 3、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)組成 4、激光產(chǎn)生原理,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),（1）能帶概念,量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級，變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶。 由于N值通常很大(如:1023 /cm-3左右)分裂出的能級十分密集，形成一個(gè)能量上準(zhǔn)連續(xù)的能帶，稱為允許能帶，簡稱允帶。而由原子不同能級分裂成的允

10、許能帶之間則是禁戒能帶，簡稱禁帶。,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),1滿帶（排滿電子的允帶） 2價(jià)帶（價(jià)電子能級分離后形成的能帶，能帶中一部分能級排滿電子） 3. 導(dǎo)帶 （允帶有部分能級被電子填充） 4空帶（完全未排電子的允帶） 空帶也是導(dǎo)帶 5禁帶（不能排電子）,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),能帶的寬度記作E ，數(shù)量級為 EeV。若N1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV,能帶的特點(diǎn)： 1. 越是外層電子，能帶越寬，E越大。 2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。 3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。,,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級上。 電子的

11、填充原則： 服從泡利不相容原理 服從能量最小原理 （2）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài),用量子力學(xué)確定孤立原子的電子能量和運(yùn)動狀態(tài)是通過求解薛定鄂方程實(shí)現(xiàn)的。然而，由于固體中所含原子數(shù)量極大，對每個(gè)電子求解薛定鄂方程是根本不可能，只能采取某種近似的方法:,,,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),其相應(yīng)的能量本征值為,k為波數(shù),me 為電子質(zhì)量 V-所有其他電子對某一電子的相互作用視為疊加在原子實(shí)周期勢場上的等效平均場,并用V(r)表示, 勢場的周期為晶格常數(shù)a 則動能為,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),在k足夠小的范圍內(nèi),可將Ek 展開為Maclaurin(麥克勞林)級數(shù),且只保留前兩項(xiàng),得到,其中,meff

12、 稱為電子的有效質(zhì)量,與me 不同,meff 既可以取正值,也可以取負(fù)值。 在k=0附近,E(k)仍按拋物線規(guī)律隨k變化,拋物線的開口方向由meff 的符號決定。 當(dāng) eff時(shí)，開口向上，相應(yīng)的能帶稱為導(dǎo)帶 當(dāng) eff<時(shí)，開口向下，相應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶,1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài),導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂對應(yīng)著相同k值，即k=0點(diǎn)，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰块g距稱為禁帶寬度禁帶寬度用Eg表示。 導(dǎo)帶和價(jià)帶的極值位于k空間同一點(diǎn)(但一般不要求是k=0點(diǎn))的半導(dǎo)體稱為直接禁帶半導(dǎo)體 另有一類在電子學(xué)中非常重要的半導(dǎo)體材料,如Si和Ge等,導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂不在k空間同一點(diǎn),稱為間接禁帶半導(dǎo)體,2、非本征半導(dǎo)體材料

13、p-n結(jié),本征半導(dǎo)體：雜質(zhì)、缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。其中自由電子和空穴都很少。常用的是非本征半導(dǎo)體又叫摻雜半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體：通過摻雜使空穴數(shù)目大大地多于電子數(shù)目的半導(dǎo)體。（GaAs-Zn） N型半導(dǎo)體：通過摻雜使電子數(shù)目大大地多于空穴數(shù)目的半導(dǎo)體。（GaAs-Te）,2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié),2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié),2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié),摻雜的凈效果是在導(dǎo)帶和價(jià)帶中形成過剩的自由載流子。 P型半導(dǎo)體摻雜三價(jià)元素（雜質(zhì)），載流子主要是空穴，而雜質(zhì)稱為受主 N型半導(dǎo)體摻雜五價(jià)元素（雜質(zhì)），載流子主要是電子，而雜質(zhì)稱為施主 p型半導(dǎo)體材料和n型半導(dǎo)體材料接觸時(shí)形成p-n結(jié)

14、。,2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié),2、非本征半導(dǎo)體材料p-n結(jié),3、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)組成,半導(dǎo)體激光器是指以注入電流做為激勵源，由半導(dǎo)體材料和光學(xué)諧振腔構(gòu)成的激光自激勵振蕩器。,3、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)組成,（1）電流：電流作為激勵源，注入電流的大小決定半導(dǎo)體激光器的輸出功率。 （2）半導(dǎo)體材料：具有晶體結(jié)構(gòu)的P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成PN結(jié)，在輸入電流的激勵下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)受激輻射大于受激吸收時(shí)，就產(chǎn)生光的放大作用。半導(dǎo)體材料的種類決定輸出激光的波長，如AlGaINP/GaAs輸出激光波長為610nm690nm，AlGaAs/GaAs輸出激光波長為780nm800nm，In

15、GaAs/GaAs輸出激光波長為800nm1100nm等。,3、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)組成,（3）光學(xué)諧振腔：受激輻射光在光學(xué)諧振腔中來回反射，不斷反饋振蕩，當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度后，就輸出激光。光學(xué)諧振腔和半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)決定半導(dǎo)體激光器的性能和壽命。,4、激光產(chǎn)生原理,半導(dǎo)體激光器的工作原理簡單概述是，通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用 。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（光放大的必要條件）：僅當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子數(shù)大于基態(tài)中的電子數(shù)時(shí)，受激輻射超過吸收，要利用“

16、泵浦（激勵）”方法。 電子與空穴復(fù)合，即電子由導(dǎo)帶進(jìn)入價(jià)帶，多出的能量以光子的形式釋放出來。,4、激光產(chǎn)生原理,普朗克定律：基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷吸收一個(gè)光子，激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷發(fā)射一個(gè)光子，光子的能量為h=E2-E1。 激光發(fā)射躍遷過程：吸收激發(fā)、自發(fā)輻射和受激輻射。 吸收激發(fā)：E1基態(tài)的電子吸收光子能量，激發(fā)到高能態(tài)E2； 自發(fā)發(fā)射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)返回基態(tài)E1，自發(fā)發(fā)射一個(gè)光子（位相隨機(jī)）。 受激發(fā)射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，向下進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，外來光子會激勵電子向下躍遷到基態(tài)E1，受激發(fā)射一個(gè)光子（位相和頻率相同）。,4、激光產(chǎn)生原理,4、激光產(chǎn)生原理,半導(dǎo)體激光器是一

17、種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件： （1）形成分布反轉(zhuǎn)：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)。將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。,4、激光產(chǎn)生原理,有源區(qū)在p-n結(jié)附近，導(dǎo)帶中有價(jià)電子，價(jià)帶中有空穴，這部分區(qū)域稱為有源區(qū)。在此區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和

18、光放大。 (2)要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩以實(shí)現(xiàn)光量子放大，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對Fp腔(法布里一珀羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與Pn結(jié)平面相垂直的自然解理面一110面構(gòu)成FP腔。,4、激光產(chǎn)生原理,4、激光產(chǎn)生原理,4、激光產(chǎn)生原理,(3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高

19、，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時(shí)，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。,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：增益等于損耗時(shí)的注入電流。,半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史 二、半導(dǎo)體激光器的工作原理 三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝 四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀 五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝,1、半導(dǎo)體激光器的工作特性 2、半導(dǎo)體激光器制備流程 3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

20、4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 5、量子阱激光器,1、半導(dǎo)體激光器的工作特性,（1 ） 閾值電流 當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素： 晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。 諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。 與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。,1、半導(dǎo)體激光器的工作特性,溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的

21、三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。 （2）方向性 由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20-30；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10左右。,1、半導(dǎo)體激光器的工作特性,（3）效率 量子效率 每秒發(fā)射的光子數(shù)每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù) 77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達(dá)7080；300K時(shí)，降到30左右。 功率效率1輻射的光功率加在激光器上的電功率 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的1最高10，只有在低溫下才能達(dá)到3040。,1、半導(dǎo)體激光器的工作特性,（4 ）光譜特性。 由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)

22、帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,半導(dǎo)體激光器的壽命與其制備工藝密切相關(guān)，每一步工藝都可能對其可靠性產(chǎn)生重大影響。為研究其壽命和失效機(jī)理，首先應(yīng)了解器件的制備工藝。盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，制作工藝存在差別，但都大同小異?；竟に噾?yīng)包括：襯底的選擇和制備、外延生長、化學(xué)腐蝕、擴(kuò)散、電極制作、解理或劃片、裝架制管、老化篩選、封裝耦合、終測等。 大體的制備流程分為前工藝和后工藝兩部分。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,（1）管芯制作工藝（前工藝）

23、 襯底是用于外延生長的基片。由于外延生長的質(zhì)量明顯地受襯底結(jié)晶質(zhì)量的影響，因此要求襯底應(yīng)該具備規(guī)定的晶向及一定的偏離范圍；一定的厚度；適宜的摻雜濃度；表面光亮、平整、無劃痕；內(nèi)部基本無位錯(cuò)或是低位錯(cuò)。這就需要選擇一定摻雜濃度的低腐蝕的單晶材料作襯底并對其進(jìn)行精細(xì)拋光。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,外延生長就是在襯底片上生長多層的二元或多元化合物或合金（固溶體），以使其形成同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。外延生長技術(shù)有液相外延（LPE）、氣相外延(VPE)、有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等，它是決定器件性能、成品率和可靠性的關(guān)鍵工藝。 化學(xué)腐蝕就是根據(jù)設(shè)計(jì)的激光器結(jié)構(gòu)和所用半導(dǎo)體

24、材料來制備所需各種形狀的重要工藝環(huán)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕液。腐蝕液的選擇及腐蝕過程控制對器件的制備水平和可靠性有重要影響。 擴(kuò)散技術(shù)可以改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，是半導(dǎo)體器件制造中采用十分普遍的通用工藝，占有重要地位。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,電極制作又稱歐姆接觸制備是制造半導(dǎo)體激光器中看來簡單但十分重要的工藝。它的好壞不僅影響器件的電光轉(zhuǎn)換效率，而且關(guān)系到器件工作的熱狀態(tài)，直接影響到器件的可靠性和壽命。 解理技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸制作）后的外延片解理成單個(gè)管芯，并獲得平行反射腔面（即F-P 腔）的一項(xiàng)技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體晶體的特點(diǎn)，這些平行的端面容易半導(dǎo)體晶體的解理面獲得。用金剛石刀在

25、具有金屬電極的外延片上沿解理面方向切劃，即可得到完全平行的腔鏡面，最后再金剛石刀或線鋸垂直于鏡面切割出所設(shè)計(jì)尺寸的單個(gè)芯片。半導(dǎo)體激光器的腔面質(zhì)量對器件的性能和可靠性都有很大影響。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,（2）后工藝 半導(dǎo)體激光器的后工藝主要包括選擇熱沉、燒焊、鍵合、耦合和封裝等。 熱沉的選擇 激光器工作時(shí)要發(fā)熱，為了使其能夠維持穩(wěn)定的輸出，必須散熱，而熱沉就是用于激光器工作時(shí)產(chǎn)生熱量消散的主要零部件。因此為了達(dá)到良好的散熱目的，必須對熱沉材料進(jìn)行選擇。一方面，熱沉材料應(yīng)是熱良導(dǎo)體、不污染且與激光器管芯的物理性質(zhì)相匹配，主要是熱膨脹系數(shù)應(yīng)相同或接近；另一方面，還應(yīng)具有易于加工和與激光器管

26、芯燒焊容易、可靠等特點(diǎn)。目前使用的熱沉材料主要有無氧銅、硅、金剛石、純銀等。其中銅和硅用得較多。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,燒焊及其焊料 燒焊就是將管芯焊接在熱沉上。目的是增加散熱能力，減少熱沉和管芯之間由于熱膨脹系數(shù)不同而造成的退化。燒焊方法很多，主要應(yīng)根據(jù)焊料性質(zhì)（如熔點(diǎn)、是否易氧化）及工藝要求而定。包括真空燒焊、惰性氣體保護(hù)燒焊以及直接燒焊等。不論何種方式都要求作到不能破壞解理面，溫度不能過高以及均勻沾潤等。焊料主要有純In、純Sn、Au-Sn或Au-Ge易熔合金，也有采用Pb-Sn（含Pb40%）合金的。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,鍵合 鍵合是將50m左右的金絲或幾十m寬的金箔帶用超聲

27、焊或熱壓焊，或兩者兼有的方法將電極連接到管芯上，以作電流注入的引線。焊點(diǎn)要牢固，但不能加壓太厲害，否則在管芯內(nèi)會產(chǎn)生微損傷。 耦合與封裝 半導(dǎo)體激光器發(fā)散角大，直接使用不方便，因此需要將其光束耦合到光纖或經(jīng)過透鏡壓縮光斑后使用，這樣的工藝過程成為耦合過程。由于光纖很細(xì)，光束在垂直和平行方向上又不對稱，因此為了保證耦合效率，需要研究耦合問題，包括研究光纖斷面的形狀、光纖與激光器間的距離、高精度的耦合機(jī)械調(diào)整裝置等等。,2、半導(dǎo)體激光器制備流程,封裝的種類很多，但目前國內(nèi)外主要有蝶型(BTF)、TO、雙列直插和同軸型等。結(jié)構(gòu)是有光纖耦合輸出和光窗輸出兩種。某些情況下，管殼內(nèi)還裝有溫控、光控以及半導(dǎo)

28、體制冷器（TEC），有的還裝有驅(qū)動電路。不論何種封裝形式，都是圍繞提高器件可靠性這個(gè)核心。因此器件的封裝應(yīng)該是全金屬化的。即管殼、蓋板與管座，光纖與管殼之間應(yīng)該是全金屬化焊接，而不能采用膠接。此外還必須保持良好的氣密性。這樣器件不受環(huán)境影響，從而達(dá)到提高激光器可靠性的目的。另外，管殼的散熱情況，即其熱阻對器件的工作條件和可靠性影響很大。要盡可能降低管殼的熱阻，因?yàn)闊崾前雽?dǎo)體激光器加速退化的主要因素。,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、

29、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,3、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 若pn結(jié)一側(cè)為GaAs材料。另一側(cè)為GaAlAs材料稱為異質(zhì)結(jié)。 若半導(dǎo)體激光器只有一個(gè)異質(zhì)結(jié)，稱為單異質(zhì)結(jié)。,4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,若半導(dǎo)體激光器有兩個(gè)異質(zhì)結(jié)，稱為雙異質(zhì)結(jié)（DH）激光器,4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,（2）平衡時(shí)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,（3 ）GaAs的折射率變化,結(jié)論：摻雜濃度越大，折射率越低。,摻雜濃度對GaAs材料折射率的影響,4、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,5、量子阱激光器,異質(zhì)結(jié)厚度僅為110nm的異質(zhì)結(jié)激光器稱為量子阱激光器。

30、,有源層尺寸極小有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)導(dǎo)代和價(jià)帶的突變勢能阱量子阱效應(yīng),5、量子阱激光器,量子阱激光器的優(yōu)點(diǎn)是閾值電流僅為異質(zhì)結(jié)激光器的四分之一，因此有利于光集成化和制作大功率半導(dǎo)體激光器，并且它的光束質(zhì)量好，有利于提高光通信的質(zhì)量。,半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史 二、半導(dǎo)體激光器的工作原理 三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝 四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀 五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前,四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀,1、產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用 2、在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用 3、軍事上的應(yīng)用,1、產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用,（1）光通信 （2）光信息存儲 （3）材料加工 （4

31、）泵浦光源 （5）激光打印機(jī) （6）激光報(bào)警器 （7）高清晰度激光電視,（1）光通信,光纖通訊領(lǐng)域是半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的最大市場 1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器是通訊用半導(dǎo)體激光器光源 0.98um和1.48um LD是摻鉺光纖放大器的泵浦源，摻鉺光纖放大器可用作光發(fā)射機(jī)的功率放大、線路放大、無再生中繼、接收機(jī)的前置放大等。,（2）光信息存儲,紅光半導(dǎo)體激光器，目前最大的應(yīng)用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD讀寫光頭、條形碼掃描是目前最大的市場。 藍(lán)、綠光波段的半導(dǎo)體激光器 高容量信息存儲 全彩色顯示 對潛通信,激光熔覆 對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件

32、進(jìn)行表面熱處理或局部熔覆，重要應(yīng)用。 用于激光熔覆與表面熱處理的半導(dǎo)體激光器 功率：16kW 光束質(zhì)量：100400mmmrad 光斑大小：22mm2 用半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢 電光效率高 材料吸收率高 使用維護(hù)費(fèi)用低 光斑形狀為矩形 光強(qiáng)分布均勻等。 廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。,（3）材料加工,半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用 汽車工業(yè)精密點(diǎn)焊 熱傳導(dǎo)焊接 管道的軸向焊接。 用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)體激光器，焊接材料的厚度為0.12.5mm 功率為3003000W， 光束質(zhì)量為 40150mmmrad， 光斑大小為0.41.5mm，。 大功率半導(dǎo)體激光器

33、焊接的優(yōu)點(diǎn) 熱量輸入低，零件的扭曲變形小 可進(jìn)行高速焊接，焊縫光滑美觀 非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法。,（3）材料加工,半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域。作為泵浦光源，半導(dǎo)體激光器有著其它光源不可取代的優(yōu)越性。,（4）泵浦光源,（5）激光打印機(jī),激光打印機(jī)脫胎于八十年代末的激光照排技術(shù)，流行于九十年代中期。它是將激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的打印輸出設(shè)備。其基本工作原理是由計(jì)算機(jī)傳來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，通過視頻控制器轉(zhuǎn)換成視頻信號，再由視頻接口/控制系統(tǒng)把視頻信號轉(zhuǎn)換為激光驅(qū)動信號，然后由激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生載有字符信息的激光束

34、，最后由電子照相系統(tǒng)使激光束成像并轉(zhuǎn)印到紙上。較其他打印設(shè)備，激光打印機(jī)有打印速度快、成像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)；但使用成本相對高昂。,,,,,,,（6）激光報(bào)警器,,,設(shè)置在坦克、艦艇、飛機(jī)等武器裝備上，用于探測、報(bào)知敵方激光武器、激光制導(dǎo)武器、激光雷達(dá)、激光測距機(jī)等的被動偵察裝備。又稱激光告警器。 20世紀(jì)70年代初開始研制，尚處在實(shí)驗(yàn)階段。僅有少數(shù)型號裝備部隊(duì)，如美國裝備于直升機(jī)上的ANAVR-2型激光告警器。激光告警器通常由掃描天線、激光監(jiān)別器、探測器、放大器、微處理機(jī)、指令控制器、報(bào)警顯示器等組成。它是根據(jù)激光的相干特性，在激光束變成電信號之前加激光鑒別器，以鑒別信號是否由激光源發(fā)出的，

35、再根據(jù)干涉條紋分布和出現(xiàn)的時(shí)間，確定激光的波長、脈寬、光強(qiáng)等參數(shù)，然后經(jīng)放大器送入微處理機(jī)進(jìn)行分析和處理。最后，一路以聲、光形式發(fā)出報(bào)警信號；一路通知干擾對抗系統(tǒng)。,激光電視是利用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種波長的連續(xù)激光作為彩色激光電視的光源，通過電視信號控制三基色激光掃描圖像。 一個(gè)激光器總是發(fā)射確定波長和顏色的光線，可以通過在激光器前面安裝專門的晶體或光導(dǎo)生成紅綠藍(lán)顏色，然后在這些材料內(nèi)通過所謂的聚焦將激光轉(zhuǎn)化成期望的顏色。放映時(shí)，將紅綠藍(lán)數(shù)據(jù)送到激光單元內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)器上，視頻數(shù)據(jù)通過調(diào)幅轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息，帶有紅綠藍(lán)光線的三分射線組合成單一的激光射線，而包含所有圖像信息

36、的激光束再通過光纜送到放映頭，最后投射到銀幕上。,（7）高清晰度激光電視,激光電視合成圖像的原理與電視機(jī)相似。激光束從上到下、從左到右進(jìn)行“掃射”。水平偏轉(zhuǎn)（行掃描）通過放映頭中的一個(gè)多面旋轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)，垂直偏轉(zhuǎn)（幀掃描）通過一個(gè)傾斜鏡實(shí)現(xiàn)。 激光電視與傳統(tǒng)電視相比具有如下特點(diǎn)： (1) 激光電視清晰度高、屏幕尺寸靈活。 (2) 激光電視可以發(fā)展成為特超大屏幕電視、電影和投影一體化多功能產(chǎn)品。 (3) 激光是100單色光，紅、綠、藍(lán)三色激光可利用數(shù)字信號分別調(diào)制，因?yàn)樯V純凈，所以彩色效果非常理想。,（7）高清晰度激光電視,）激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。

37、普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項(xiàng)技術(shù)。 ）激光動力學(xué)治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光照射使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無損害。 ）生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以捕捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進(jìn)細(xì)胞合成、細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。,2、在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用,3、軍事上的應(yīng)用,（1）激光雷達(dá) （2）激光制導(dǎo) （3）激光測距 （4）激光引信,激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 具有極高的角分辨率、距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲

38、得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等 激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù) 利用直接調(diào)制激光二極管技術(shù)的無掃描成像雷達(dá)具有極大地軍事應(yīng)用前景。,（1）激光雷達(dá),駕束制導(dǎo)：大功率半導(dǎo)體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈。經(jīng)空間編碼的激光光束直接指向目標(biāo)，導(dǎo)彈的彈尾接收器接收激光束中的編碼信號修正導(dǎo)彈的飛行軌跡直至擊中目標(biāo)。 激光半主動制導(dǎo) 激光主動制導(dǎo),（2）激光制導(dǎo),國產(chǎn)500公斤激光制導(dǎo)導(dǎo)彈,采用直接調(diào)制的脈沖半導(dǎo)體激光器可用于激光測距，目前測距1公里的半導(dǎo)體激光測距機(jī)已經(jīng)商品化，測距精度達(dá)幾厘米。,（3）激光測距,半導(dǎo)體激光器是唯一能用于彈

39、上引信的激光器，激光近炸引信可以準(zhǔn)確地確定起爆點(diǎn)，使彈頭適時(shí)起爆，激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈的頭部。,（4）激光引信,半導(dǎo)體激光器材料的研究進(jìn)展,一、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史 二、半導(dǎo)體激光器的工作原理 三、半導(dǎo)體激光器的制作工藝 四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用現(xiàn)狀 五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD等方面。,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,一是激光器研究向固態(tài)化方向發(fā)展，半導(dǎo)體

40、激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器成為激光加工設(shè)備的主導(dǎo)方向。 由于半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器自身所具有的高光電轉(zhuǎn)換效率、更小的體積以及更優(yōu)化的光模式，成為目前發(fā)展最為理想、迅速的激光器。半導(dǎo)體激光器以及半導(dǎo)體泵浦固體激光器的最高功率已達(dá)到了6KW，并逐步實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化和實(shí)用化，以其所具有的這些優(yōu)勢，半導(dǎo)體泵浦固體激光器和半導(dǎo)體激光器在工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域成為主流激光器，并將取代一些傳統(tǒng)激光器的應(yīng)用，例如燈泵浦的Nd:YAG激光器。,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,二是激光技術(shù)對產(chǎn)品投入產(chǎn)出比和技術(shù)基礎(chǔ)的優(yōu)化作用更加明顯，融合在產(chǎn)品與服務(wù)中的技術(shù)含量越來越高。 飛行激光打

41、標(biāo)和彩色打標(biāo)技術(shù)深受市場青睞，原因在于其控制軟件實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同的顏色要求，控制不同波長的激光，不同工作時(shí)間的輸出，提高了激光標(biāo)記設(shè)備的使用范圍。德國著名的通快公司最近推出的激光打標(biāo)機(jī)，均裝配了遠(yuǎn)程監(jiān)控與測試系統(tǒng)，通過對270多個(gè)探測點(diǎn)的數(shù)據(jù)反饋，售后服務(wù)工程師可以準(zhǔn)確判斷設(shè)備的運(yùn)行情況并實(shí)施遠(yuǎn)程診斷，解決了顧客的后顧之憂。,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,三是激光技術(shù)與眾多新興學(xué)科相結(jié)合，更加貼近人們的日常生活。激光美容技術(shù)深受越來越多女性的青睞，反映出激光技術(shù)與其它學(xué)科的融合以及應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大。 四是激光產(chǎn)業(yè)界并購盛行，各公司力爭成為行業(yè)巨頭。德國著名的通快公司（Trumpf）通過兼

42、并、重組，現(xiàn)有7家從事激光產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，其中包括知名的哈斯公司（Haas）。,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,美國相干公司（Coherent）在2001年初將醫(yī)療激光集團(tuán)出售給以色列ESC/Sharplan公司后，購買了幾家從事工業(yè)激光產(chǎn)品制造的公司，專著于工業(yè)激光領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。ESC/Sharplan 與Coherent合并組成的Lumenis公而司，其在世界醫(yī)療激光領(lǐng)域中的“龍頭”地位無人能撼。這些大型企業(yè)的形成，一方面推動了激光應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)走向新的發(fā)展階段，另一方面也表明這些廠商正在謀求對激光技術(shù)前沿的壟斷。,五、半導(dǎo)體激光器材料的發(fā)展前景,半導(dǎo)體激光器在生活的方方面面都發(fā)揮了巨大作用，改善了我們的生活，尤其以大功率半導(dǎo)體激光器為例，它所具有的獨(dú)特魅力，也將使其在國際國內(nèi)具有更為廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。,