半导体激光器工作原理及基本结构

半导体激光器工作原理及基本结构李璟半导体激光器工作原理及基本结构工作原理分类材料及器件结构半导体激光器工作原理半导体激光器是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、波长基本相同、强度较大）的光电子器件。半导体激光器工作原理工作三要素：受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。自发光辐射和受激光辐射自发光辐射（发光二极管）当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。受激光辐射（半导体激光器）在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。法布里-珀罗谐振腔(形成相干光)垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激射效率.一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件:腔长=半波长的整数倍L=m(λ/2n)增益和阈值电流增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。半导体激光器的分类（材料和波长）可见光：GaAs衬底InGaN/GaAs480~490nm蓝绿光InGaAlP/GaAs630~680nmAlGaAs/GaAs720~760nm近红外长波长：GaAs衬底AlGaAs/GaAs760~900nmInGaAs/GaAs980nm远红外长波长：InP衬底InGaAsP/InP1.3um1.48um1.55um半导体激光器材料和器件结构808大功率激光器结构半导体激光器材料生长•采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。•有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。•最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻。半导体激光器器件制备•大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。•条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。•条形结构的优点：1.使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散，使阈值电流降低；2.有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能；3.有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性；4.器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。条形结构类型从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。增益波导条形激光器(普通条形)特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。折射率波导条形激光器（掩埋条形）特点：不仅对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，而且对光波侧向渗透也有限制作用。InP衬底的1310nm、1480nm激光器属于这种结构，需要三次外延生长。此结构的优点：条形有源区的侧向对载流子和光场都有限制，辐射光丝稳定，能够单膜工作，远场单峰、光斑均匀，光谱窄、阈值低、可靠性高。弱折射率波导条形激光器（脊形波导）特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出一个脊（宽度大约3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um,腐蚀一部分上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向形成一定的折射率台阶，对侧向光波有较弱的限制作用。