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1、半導(dǎo)體激光器原理與制造Semiconductor laser diodePrinciple&Fabrication 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 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.能帶理論2.直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體3.能帶中電子和空穴的分布4.量子躍遷5.半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)6.半導(dǎo)體激光器的材料選擇 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)，
2、價(jià)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(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(jí)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(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)） 量子躍遷 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)。 量子躍遷非輻射躍遷：1.異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合2.缺陷
3、復(fù)合：有源區(qū)都是本征材料3.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 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(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。 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 異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用 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 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
4、，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(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。 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(G
5、ain guide LD) 幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器 遠(yuǎn)場(chǎng)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(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。 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 影響閾值電流的因素：1.有源區(qū)的體積：腔長(zhǎng)、條寬、厚度2.材料生長(zhǎng)：摻雜、缺陷、均勻性3.解理面、鍍膜4.電場(chǎng)和光場(chǎng)的限制水平5.隨溫度增加，損耗系數(shù)增加，漏電流增加，內(nèi)量子效
6、率降低，這些都會(huì)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(cè)試：To = T / Ln（Ith） 影響To的因素：限制層與有源層的帶隙差 Eg 對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)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 / 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(zhǎng)隨溫度的改變b / T： 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0.5
7、nm/ 。 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(shí)間8串聯(lián)電阻9熱阻 各特性的關(guān)系 DFB-LD芯片制造1.一次外延生長(zhǎng)2.光柵制作3.二次外延生長(zhǎng)4.脊波導(dǎo)制作5.歐姆接觸、減薄6.解理成條7.端面鍍膜8.解理成管芯9. 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(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 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.
8、套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2自對(duì)準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕 6.三次光刻：電極圖形 7.歐姆接觸1. P面濺射TiPtAu2.減薄3. 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(zhǎng)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(jià)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(zhǎng) SiO2， 填充聚酰亞胺 VCSEL 芯片制造4 歐姆接觸
半導(dǎo)體激光器原理
