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大功率半导体激光器及应用长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室马晓辉概述一、激光二、半导体激光器三、大功率半导体激光器研究进展四、半导体激光器的典型应用五、半导体激光器市场及发展前景一、激光•激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。•与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。1、激光的概念•激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，LASER）一词是受激辐射光放大。•1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。•我国于1961年研制出第一台激光器（长春光机所，长春光机学院）•从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。CharlesH.Townes（汤森)ArthurL.Schawlow（肖洛夫）Maiman（梅曼）原子和能级•按量子力学理论，原子具有的能量是随原子种类不同而不等的离散性数值，可以用电子的动能和势能之和表达。•原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。•三种类型的跃迁：吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2光子的吸收•一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且hv=E2-E1，其中：E2为原子的某一较高的能量状态-激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为吸收。•只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。E1E3E2hvE1E3E2自发辐射•处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态去，同时放出一个光子。•这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。hv自发辐射示意图E1E3E2自发辐射的特点•这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。•例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。受激辐射•激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图2、产生激光的必要条件•粒子数反转：选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；•光学谐振腔：选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；•一定的阈值条件：外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。3、激光的特点•方向性好：激光是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面度。•单色性强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的632.8纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米。•亮度高：一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。•相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。4、激光器的种类•按工作物质的性质分类气体激光器：氦一氖气体激光器，方向性好，单色性好，输出功率和波长能控制得很稳定。固体激光器：典型代表有Nd3+:YAG，能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点。半导体激光器：以半导体为工作物质，常用材料有GaAs、InP等。具有小型、高效率、结构简单等优点液体激光器：有机化合物液体（染料）和无机化合物液体激光器，波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲、可获得窄的谱线宽度。按工作方式区分连续型脉冲型5、其它激光器•光纤激光器•化学激光器•气动激光器•色心激光器•自由电子激光器•单原子激光器•X射线激光器二、半导体激光器1962年，美国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。1967年，液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作。1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术---量子阱激光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。1965年中国北中科院北京半导体所。激光二极管1、半导体激光器的特性•转换效率高：70%。•体积小：1mm3•寿命长，可达数十万小时•输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。•易调制：直接调制•缺点：发散角大，光束质量差。2、半导体激光器的分类•半导体激光器通常可以按照半导体材料，发射波长，器件的结构，输出功率进行分类。•大功率半导体激光器的种类：单管：宽条形激光二极管Bar条：线列阵激光二极管叠层：面阵激光二极管3、激光二极管工作原理•产生的激光条件受激辐射放大光学振荡反馈激光的阈值条件：增益大于损耗半导体激光器的三个问题光增益谐振腔发光效率半导体物理基础知识能带理论直接带隙和间接带隙半导体能带中电子和空穴的分布量子跃迁半导体异质结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•半导体中电子的能级与金属有本质的区别，在半导体中原子和价电子间的相互作用使价电子分成被禁带相隔的价带和导带。在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带单晶Si的二维结构和能带图Li原子和金属的能带结构图能带中电子和空穴的分布掺杂半导体-n型半导体(As-Si)掺杂半导体-p型半导体(B---Si)n型半导体和p型半导体能带图光的受激辐射、自发辐射和吸收对应的跃迁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。（如：Si，Ge等）直接带隙半导体能带图电子吸收光子跃迁到导带上，在价带上就会产生一个空穴。电子—空穴对的辐射复合而产生半导体激光器的光增益直接带隙半导体更容易产生辐射。多数的三五族化合物半导体是直接带隙半导体。半导体激光器的材料选择•发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度决定-晶体材料决定。晶格常数与衬底匹配半导体激光器的三个问题：光增益、谐振腔、发光效率3.1半导体中的光增益激光二极管采用注入电流直接驱动。pn结加正向电压，空穴将会向n型区移动，电子向p型区移动。在pn结处，电子和空学复合，产生光电子。注入的电荷密度1018~1019cm-3，产生的光子就会大于损失的光子。早期激光二极管采用的是GaAs同质结结构。有源层的厚度由扩散长度决定，一般为2μm。双异质结构激光二极管的结构量子阱结构单量子阱结构现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为10nm。多量子阱结构量子阱作为有源区的几点优势•量子阱外带隙大，注入载流子被限制在QW区域产生反转。由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了1000倍。•载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。辐射复合的效率超过90%，好的材料能达到接近100%。•低掺杂导致了很低的内部损失。因此QW结构使长腔激光器有很高的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻）•量子阱厚度为10nm。这样的薄层允许材料的晶格常数GaAs有一些失配。•将Ga的一部分换成In，波长将会达到1100nm。引入的张力进一步提高了态密度的分布，阈值电流密度大概为200A/cm2。将As换成P，波长范围可扩展到730nm。几种波长激光二极管的材料组份3.2光学谐振腔3.2.1垂直波导结构•垂直结构，也就是外延层结构，包括光波导和采用量子阱的PN结。•波导的设计利用了折射率n随禁带宽度变化这一特点（禁带宽度增加折射率降低）。•QW被镶嵌在高折射率材料的核心区，盖层的折射率比核心区要低。AlAs：折射率为2.9，禁带宽度2.9eV。GaAs：折射率为3.5，禁带宽度1.4eV。分别限制异质结（SCH）垂直波导结构的设计•对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个不利因素的优化。•对于TM模，限制因子Γ：•光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散•层结构影响串联电阻和热阻。•好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化810nm外延结构图•有源层是一个张应力GaAsP量子阱结构，厚度为15nm。•芯层由Al0.45Ga0.65As组成。盖层为70%的AlAs。•随着芯层的厚度增加光束发散角和腔面承受的功率密度会而急剧减小（LOC为大光学腔）。•增加腔长可以弥补由于低限制因子对增益的影响，获得高效率激光器3.2.2横（侧）向波导层结构给出了有效折射率的值，这个值接近芯层折射率。任何一个对波导结构折射率的影响都会改变有效折射率。侧向有效折射率发生变化，波导就类似于垂直结构，与通常的波导相似形成了芯层和盖层。对于大功率激光二极管器，产生一个弱波导。弱波导有更大的基模尺寸，更低的腔面载荷和更高的输出功率。宽条形激光器•有效折射率随注入电流增加降低。•串联电阻和非辐射复合影响，层结构的温度上升，使折射率上升。•这两种效应都可改变有效折射率，数值为10-4~10-3。•在阈值处，载流子的影响占主要作用。产生了由于折射率退化而产生的反波导效应。反波导导致了光学损失，在阈值附近效率有轻微下降。•在阈值之上，激光器热效应的影响占主要地位。在电流注入区的折射率更高，使得激光器有标准的折射率导引。效率稍有提高，但激光发散角也稍有增长。折射率导引激光器（IndexguideLD）•强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD）弱折射率导引激光器•脊波导激光器（RWG-LD）•改变侧向的层结构，使有效折射率产生变化。•其中最容易的办法是在P面刻蚀盖层，将一部分波导层腐蚀，选择低折射率材料代替，如Al2O3或Si3N4，有效折射率将减小。•在大功率器件中此结构常被采用作为模式选择过滤器4.发光效率•F-P激光器的转换效率（插头效率）•ηi内量子效率，受非辐射复合和载流子泄露影响。•第二部分是输出耦合和总的谐振腔损耗的关系•第三部分代表了获得注入电流必要电压和的实际电压的关系，包括了由芯片内、外部串联电阻引起的附加电压。•第四相描述激光器的工作电流超过阈值电流。5、制造技术•基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注入电流的金属电极，和两个腔面面构成的谐振腔组成。•制造激光器需要以下步骤在衬底上进行外延生长表面图形制作，形成绝缘区和导电区解理和腔面镀膜形成谐振腔将芯片固定在热沉上5.1外延生长技术•对大功率激光二极管来说半导体三五族外延生长，尤其是GaAs生长至关重要。•外延生长方法液相外延：优点是很容易生长很厚的外延层。气相外延（MOCVD)：可精确控制元素组分和沉积厚度分子束外延（MBE）：MOCVD/MOVPE•MOVPE（metal-organicvaporphaseepitaxy)•衬底由装片位置A移动到生长位置B。在生长过程中，金属有机化合物和氢化物进入反应室，这些物质分解并沉积在热的基底上。沉积温度通常在600~800°C•MOVPE的生产规模大也是其优势之一。•材料的危险和工艺的复杂是MOVPE的缺陷。MBE