半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu).ppt
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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,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,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) 在材料設(shè)計時,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)面的兩個平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔 ,兩個解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個端面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率. 一定波長的受激光輻射在諧振腔內(nèi)形成振蕩的條件: 腔長=半波長的整數(shù)倍 L=m(λ/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:增益等于損耗時的注入電流。,半導(dǎo)體激光器的分類(材料和波長),可見光: GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480~490nm 藍(lán)綠光 InGaAlP/GaAs 630~680nm AlGaAs/GaAs 720~760nm 近紅外長波長: GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm 遠(yuǎn)紅外長波長: 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,采用MOCVD方法制備外延層,外延層包括緩沖層、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)工作時產(chǎn)生的熱量能通過周圍四個方向的無源區(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)場特性改善。,條形結(jié)構(gòu)類型,從對平行于結(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,對光場的側(cè)向滲透沒有限制作用,造成遠(yuǎn)場雙峰或多峰、光斑不均勻,同時閾值高、光譜寬、多縱摸工作,有時會出現(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。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):條形有源區(qū)的側(cè)向?qū)d流子和光場都有限制,輻射光絲穩(wěn)定,能夠單膜工作,遠(yuǎn)場單峰、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?,在條形有源區(qū)上方腐蝕出一個脊(寬度大約3~4um),腐蝕深度大概1.5~2um, 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階,對側(cè)向光波有較弱的限制作用。,- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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- 半導(dǎo)體激光器 工作 原理 基本 結(jié)構(gòu)
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