半導體激光器原理ppt課件

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半導體激光器原理與制造 SemiconductorlaserdiodePrinciple Fabrication 1 主要內(nèi)容 1 半導體物理基礎(chǔ)知識2 半導體激光器工作原理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 2 半導體物理基礎(chǔ)知識 能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導體能帶中電子和空穴的分布量子躍遷半導體異質(zhì)結(jié)半導體激光器的材料選擇 3 能帶理論 晶體中原子能級分裂 晶體中的電子作共有化運動 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 認為是準連續(xù)的 即形成能帶電子總是先填充低能級 0K時 價帶中填滿了電子 而導帶中沒有電子 4 導體絕緣體半導體 5 能帶中電子和空穴的分布 導帶中絕大多數(shù)電子分布在導帶底 Ef為費米能級 它在能帶中的位置直觀的標志著電子占據(jù)量子態(tài)的情況 費米能級位置高 說明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子 6 能帶中電子和空穴的分布 N型半導體中的電子和空穴在能級中的分布 熱平衡狀態(tài) 7 能帶中電子和空穴的分布 P型半導體中的電子和空穴在能級中的分布 熱平衡狀態(tài) 8 量子躍遷 光的自發(fā)發(fā)射 是半導體發(fā)光的基礎(chǔ) 光的受激吸收 是半導體探測器工作的基礎(chǔ) 9 量子躍遷 光的受激發(fā)射 光子激勵導帶中的電子與價帶中的空穴復合 產(chǎn)生一個所有特征 頻率 相位 偏振 完全相同的光子 它是半導體激光器的工作原理基礎(chǔ) 10 量子躍遷 非輻射躍遷 異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復合缺陷復合 有源區(qū)都是本征材料俄歇復合 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 11 量子躍遷 特點 12 直接帶隙和間接帶隙半導體 直接帶隙半導體躍遷幾率高 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 13 半導體異質(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 14 異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用 15 半導體激光器的材料選擇 1 能在所需的波長發(fā)光2 晶格常數(shù)與襯底匹配 16 半導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 17 雙異質(zhì)結(jié)激光器 18 分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器 19 橫模 兩個方向 半導體激光器通常是單橫模 基模 工作 當高溫工作 或電流加大到一定程度 會激發(fā)高階模 導致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 20 橫模 側(cè)橫模 1 強折射率導引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器 BH LD 折射率導引激光器 IndexguideLD 21 橫模 側(cè)橫模 2 弱折射率導引激光器 脊波導型激光器 RWG LD 折射率導引激光器 IndexguideLD 22 橫模 側(cè)橫模 條形激光器 增益導引激光器 GainguideLD 23 幾種典型的折射率導引激光器 24 遠場特性 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 25 縱模 F P腔激光器 多縱模工作DFB激光器單縱模工作 26 F P腔激光器 27 28 DFB激光器 29 DFB LD與DBR LD 30 F P LD與DFB LD的縱模間隔 31 DFB LD的增益與損耗 32 工作特性 1 閾值電流Ith影響閾值電流的因素 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 33 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 34 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 35 工作特性 4 峰值波長隨溫度的改變 b T 對F P LD 當激光器的溫度升高時 有源區(qū)的帶隙將變窄 同時波導層的有效折射率發(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 36 F P LD與DFB LD的頻率啁啾 37 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 38 各特性的關(guān)系 39 DFB LD芯片制造 一次外延生長光柵制作二次外延生長脊波導制作歐姆接觸 減薄解理成條端面鍍膜解理成管芯TO CAN 40 1 光柵制作 1 全息曝光2 干法或濕法刻蝕 41 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 42 3 一次光刻 一次光刻出雙溝圖形 43 4 脊波導腐蝕 選擇性腐蝕到四元停止層 44 5 套刻 PECVD生長SiO2自對準光刻SiO2腐蝕 45 6 三次光刻 電極圖形 46 7 歐姆接觸 P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu 47 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 48 面發(fā)射激光器 VerticalCavitySurfaceEmittingLaser 49 VCSEL的優(yōu)點 易于實現(xiàn)二維平面和光電集成 圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合 有源區(qū)尺寸極小 可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流 芯片生長后無須解理 封裝即可進行在片實驗 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 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 管芯截面圖 72 濕氮氧化實驗設(shè)備 73 VCSEL芯片制造 1一次光刻 干法或濕法腐蝕 74 VCSEL芯片制造 2濕氮氧化 75 VCSEL芯片制造 3PECVD生長SiO2 填充聚酰亞胺 76 VCSEL芯片制造 4歐姆接觸 77