半导体激光器原理

半导体激光器原理与制造SemiconductorlaserdiodePrinciple&Fabrication主要内容1.半导体物理基础知识2.半导体激光器工作原理3.工作特性及参数4.结构及制造工艺5.面发射激光器半导体物理基础知识1.能带理论2.直接带隙和间接带隙半导体3.能带中电子和空穴的分布4.量子跃迁5.半导体异质结6.半导体激光器的材料选择能带理论:晶体中原子能级分裂•晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有•晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，即形成能带•电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子，而导带中没有电子导体绝缘体半导体能带中电子和空穴的分布导带中绝大多数电子分布在导带底。Ef为费米能级，它在能带中的位置直观的标志着电子占据量子态的情况。费米能级位置高，说明有较多能量较高的量子态上有电子。能带中电子和空穴的分布N型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）能带中电子和空穴的分布P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）量子跃迁•光的自发发射（是半导体发光的基础）•光的受激吸收（是半导体探测器工作的基础）量子跃迁•光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体激光器的工作原理基础。量子跃迁非辐射跃迁：1.异质结界面态的复合2.缺陷复合：有源区都是本征材料3.俄歇复合：对长波长激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响量子跃迁•特点：直接带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体跃迁几率高，适合做有源区发光材料（如GaAs，InP，AlGaInAs）间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。半导体异质结•异质结的作用：•异质结对载流子的限制作用•异质结对光场的限制作用•异质结的高注入比异质结对光场的限制作用半导体激光器的材料选择1-能在所需的波长发光2-晶格常数与衬底匹配半导体激光器的工作原理基本条件：1有源区载流子反转分布2谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡3满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。双异质结激光器分别限制异质结单量子阱激光器横模（两个方向）•半导体激光器通常是单横模（基模）工作。•当高温工作，或电流加大到一定程度，会激发高阶模，导致P-I曲线出现扭折（Kink），增加了躁声。•垂直横模•侧横模•垂直横模：由异质结各层的厚度和各层之间的折射率差决定。横模（侧横模）•1.强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD）折射率导引激光器（IndexguideLD）横模（侧横模）2.弱折射率导引激光器：脊波导型激光器（RWG-LD）折射率导引激光器（IndexguideLD）横模（侧横模）条形激光器增益导引激光器(GainguideLD)几种典型的折射率导引激光器远场特性•θ⊥随有源区厚度及折射率差的减小而减小。•θ∥随有源区宽度的减小而增大。•减小有源区的宽度，可以使远场更趋向于圆形光斑。•减小有源区宽度可以使高阶模截止。纵模•F-P腔激光器：多纵模工作•DFB激光器单纵模工作F-P腔激光器DFB激光器DFB-LD与DBR-LDF-P-LD与DFB-LD的纵模间隔DFB-LD的增益与损耗工作特性1.阈值电流Ith影响阈值电流的因素：1.有源区的体积：腔长、条宽、厚度2.材料生长：掺杂、缺陷、均匀性3.解理面、镀膜4.电场和光场的限制水平5.随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，这些都会使阈值电流密度增加工作特性2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：测试：To=ΔT/ΔLn（Ith）影响To的因素：限制层与有源层的带隙差ΔEg对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小ΔEg工作特性3.外微分量子效率ηd（斜率效率）：可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。ηd=ΔP/ΔI外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件容易被损坏。工作特性4.峰值波长随温度的改变Δλb/ΔT：•对F-P-LD，当激光器的温度升高时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的有效折射率发生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为0.5nm/℃。•对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb/ΔT小于0.1nm/℃。F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾工作特性5.光谱宽度6边模抑制比7上升/下降时间8串联电阻9热阻各特性的关系DFB-LD芯片制造1.一次外延生长2.光栅制作3.二次外延生长4.脊波导制作5.欧姆接触、减薄6.解理成条7.端面镀膜8.解理成管芯9.TO-CAN1.光栅制作1.全息曝光2.干法或湿法刻蚀2.二次外延生长生长：1.低折射率层2.腐蚀停止层3.包层4.帽层：接触层3.一次光刻•一次光刻出双沟图形4.脊波导腐蚀选择性腐蚀到四元停止层5.套刻PECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀6.三次光刻：电极图形7.欧姆接触1.P面溅射TiPtAu2.减薄3.N面TiAu端面镀膜•先解理成条•端面镀膜:高反膜\增透膜端面镀膜的作用:1.增大出光功率，2.减小阈值电流高反膜80-90%，增透膜5-10%面发射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaserVCSEL的优点●易于实现二维平面和光电集成；●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；●有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；●芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；●成品率高、价格低。管芯截面图湿氮氧化实验设备VCSEL芯片制造1一次光刻、干法或湿法腐蚀VCSEL芯片制造2湿氮氧化VCSEL芯片制造3PECVD生长SiO2，填充聚酰亚胺VCSEL芯片制造4欧姆接触