半導體激光器工作原理及基本結構

1、半導體激光器工作原理及基本結構李璟半導體激光器工作原理及基本結構工作原理分類材料及器件結構I半導體激光器工作原理 半導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、強度較大）的光電子器件。注入電流I激活區(qū)激活區(qū)I半導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。-受激光車畐射' （半導體激光器）在材

2、料設計時，考慮將p區(qū)和n區(qū)重摻雜等工藝，使得輻射光嚴 格在pn結平面內(nèi)傳播，單色性較好，強度也較大，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： 腔長二半波長的整數(shù)倍L=m(A/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。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。半導體激光器的分類（

3、材料和波長）藍綠光1.55um可見光：InGaN/ GaAsInGaAIP/GaAsAIGaAs/GaAs近紅外長波長:AIGaAs/GaAsInGaAs/GaAs遠紅外長波長:InGaAsP/InPGaAs襯底480490nm630680nm720760nmGaAs襯底 760900nm 980nmInP襯底1.3um 1.48um半導體激光器材料和器件結構 808大功率激光器結構P+GaAs帽層面電極p-GaAsp-AlGaAs 限制啟IGaAs有源層n-AlGaAs 限制n-GaAs緩沖旦nGaAs襯底半導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、

4、頂層、帽層。有源層包括上下波導層和量子阱。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，它們復合產(chǎn)生的 光波又能有效地限制在波導層中。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。占半導體激光器器件制備 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 電械制備、襯底減薄。 條形結構：在平行于結平面方向上也希望同垂直方向一樣對載流子和光 波進行限制，因此引進了條形結構。條形結構的優(yōu)點：1 使注入電流限制在條形有源區(qū)內(nèi)，限制載流子的側向

5、擴散， 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、遠場特性改善。條形結構類型從對平行于結平面方向的載流子和光波限制情況可分為增益波導條形激 光器（普通條形）和折射率波導條形激光器（掩埋條形、脊形波導）。增益波導條形激光器（普通條形）-特點：只對注入電流的側向擴展和注入載流子的側向擴散有限制作用，對光波側向滲透沒有限制作用。-我們的808大功率激光器屬于這種結構：把p+重摻雜層光刻成條形，限制電流從條形部分流入。但是在有源區(qū)的側向仍是相同的材料，折射率是一樣的，對光場的側向滲透沒有限制作用，造成遠場雙峰或多峰、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。折射率波導條形激光器（掩埋條形）特點：不僅對注入電流的側向擴展和注入載流子的側 向擴散有限制作用，而且對光波側向滲透也有限制作 用。-InP襯底的1310nm、1480nm激光器屬于這種結構，需要三次外延生長。此結構的優(yōu)點：條形有源區(qū)的側 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，遠場單峰、光斑均勻，光譜窄、閾值低、可 靠性高。弱折射率波導條形激光器（脊形波導）特點：在側向?qū)獠ǖ挠幸欢ㄏ拗谱饔茫跅l形有源區(qū)上方