半導(dǎo)體激光器原理與制造

1、半導(dǎo)體激光器原理與制造半導(dǎo)體激光器原理與制造第1頁(yè)主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)2.半導(dǎo)體激光器工作原理3.工作特征及參數(shù)4.結(jié)構(gòu)及制造工藝5.面發(fā)射激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第2頁(yè)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體能帶中電子和空穴分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器材料選擇半導(dǎo)體激光器原理與制造第3頁(yè)能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電子不再屬于某一個(gè)原子，而是屬于整個(gè)晶體共有晶體中原子間相互作用，造成能級(jí)分裂，因?yàn)樵訑?shù)目巨大，所以分裂能級(jí)非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)，即形成能帶電子總是先填充低能級(jí)，0K時(shí)，價(jià)帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒(méi)有電子半導(dǎo)體激光器原

2、理與制造第4頁(yè)導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器原理與制造第5頁(yè)能帶中電子和空穴分布導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底。Ef為費(fèi)米能級(jí)，它在能帶中位置直觀標(biāo)志著電子占據(jù)量子態(tài)情況。費(fèi)米能級(jí)位置高，說(shuō)明有較多能量較高量子態(tài)上有電子。半導(dǎo)體激光器原理與制造第6頁(yè)能帶中電子和空穴分布N型半導(dǎo)體中電子和空穴在能級(jí)中分布（熱平衡狀態(tài)）半導(dǎo)體激光器原理與制造第7頁(yè)能帶中電子和空穴分布P型半導(dǎo)體中電子和空穴在能級(jí)中分布（熱平衡狀態(tài)）半導(dǎo)體激光器原理與制造第8頁(yè)量子躍遷光自發(fā)發(fā)射（是半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)）光受激吸收（是半導(dǎo)體探測(cè)器工作基礎(chǔ)）半導(dǎo)體激光器原理與制造第9頁(yè)量子躍遷光受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中電子與價(jià)帶中空穴復(fù)合

3、，產(chǎn)生一個(gè)全部特征（頻率、相位、偏振）完全相同光子。它是半導(dǎo)體激光器工作原理基礎(chǔ)。半導(dǎo)體激光器原理與制造第10頁(yè)量子躍遷非輻射躍遷：異質(zhì)結(jié)界面態(tài)復(fù)合缺點(diǎn)復(fù)合：有源區(qū)都是本征材料俄歇復(fù)合：對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響半導(dǎo)體激光器原理與制造第11頁(yè)量子躍遷特點(diǎn)：半導(dǎo)體激光器原理與制造第12頁(yè)直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)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(dǎo)體電子躍遷時(shí)：始態(tài)和終態(tài)波矢不一樣，必須有對(duì)應(yīng)聲子參加吸收和發(fā)射以保持動(dòng)量守恒，所以躍遷幾率低。半導(dǎo)體激光器原理與制造第13頁(yè)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)作用：異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子

4、限制作用異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)限制作用異質(zhì)結(jié)高注入比半導(dǎo)體激光器原理與制造第14頁(yè)異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)限制作用半導(dǎo)體激光器原理與制造第15頁(yè)半導(dǎo)體激光器材料選擇1-能在所需波長(zhǎng)發(fā)光2-晶格常數(shù)與襯底匹配半導(dǎo)體激光器原理與制造第16頁(yè)半導(dǎo)體激光器工作原理基礎(chǔ)條件：1有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布2諧振腔：使受激輻射屢次反饋，形成振蕩3滿足閾值條件，使增益損耗，有足夠注入電流。半導(dǎo)體激光器原理與制造第17頁(yè)雙異質(zhì)結(jié)激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第18頁(yè)分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第19頁(yè)橫模（兩個(gè)方向）半導(dǎo)體激光器通常是單橫模（基模）工作。當(dāng)高溫工作，或電流加大到一定程度，會(huì)激發(fā)高階模，造成P-I曲線出現(xiàn)

5、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)各層厚度和各層之間折射率差決定。半導(dǎo)體激光器原理與制造第20頁(yè)橫模（側(cè)橫模）1.強(qiáng)折射率導(dǎo)引掩埋異質(zhì)結(jié)激光器（BH-LD）折射率導(dǎo)引激光器（Index guide LD）半導(dǎo)體激光器原理與制造第21頁(yè)橫模（側(cè)橫模） 2.弱折射率導(dǎo)引激光器：脊波導(dǎo)型激光器（RWG-LD）折射率導(dǎo)引激光器（Index guide LD）半導(dǎo)體激光器原理與制造第22頁(yè)橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(Gain guide LD)半導(dǎo)體激光器原理與制造第23頁(yè)幾個(gè)經(jīng)典折射率導(dǎo)引激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第24頁(yè)遠(yuǎn)場(chǎng)特征隨有源區(qū)厚度及折射率差減小而減

6、小。 隨有源區(qū)寬度減小而增大。減小有源區(qū)寬度，能夠使遠(yuǎn)場(chǎng)更趨向于圓形光斑。減小有源區(qū)寬度能夠使高階模截止。半導(dǎo)體激光器原理與制造第25頁(yè)縱模F-P腔激光器： 多縱模工作DFB激光器 單縱模工作半導(dǎo)體激光器原理與制造第26頁(yè)F-P腔激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第27頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第28頁(yè)DFB激光器半導(dǎo)體激光器原理與制造第29頁(yè)DFB-LD與DBR-LD半導(dǎo)體激光器原理與制造第30頁(yè)F-P-LD與DFB-LD縱模間隔半導(dǎo)體激光器原理與制造第31頁(yè)DFB-LD增益與損耗半導(dǎo)體激光器原理與制造第32頁(yè)工作特征1.閾值電流 Ith 影響閾值電流原因：有源區(qū)體積：腔長(zhǎng)、條寬、厚度材料生長(zhǎng)：摻雜

7、、缺點(diǎn)、均勻性解理面、鍍膜電場(chǎng)和光場(chǎng)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(huì)使閾值電流密度增加半導(dǎo)體激光器原理與制造第33頁(yè)工作特征2.特征溫度To（表征激光器溫度穩(wěn)定性）： 測(cè)試：To = T / Ln（Ith） 影響To原因：限制層與有源層帶隙差 Eg 對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，To隨溫度升高而減小 Eg半導(dǎo)體激光器原理與制造第34頁(yè)工作特征3.外微分量子效率d （斜率效率）：能夠直觀用來(lái)比較不一樣激光器性能優(yōu)劣。d = P / I外微分量子效率并不是越大越好，假如太大，光功率輸出隨注入靈敏度太高，器件輕易被損壞。半導(dǎo)體激光器原理與制造第35頁(yè)工作特征4.

8、 峰值波長(zhǎng)隨溫度改變b / T： 對(duì)F-P-LD，當(dāng)激光器溫度升高時(shí)，有源區(qū)帶隙將變窄，同時(shí)波導(dǎo)層有效折射率發(fā)生改變，峰值波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。約為0.5nm/ 。 對(duì)DFB-LD，激射波長(zhǎng)主要由光柵周期和等效折射率決定，溫度升高時(shí)光柵周期改變很小，所以b / T小于0.1nm / 。半導(dǎo)體激光器原理與制造第36頁(yè)F-P-LD與DFB-LD頻率啁啾半導(dǎo)體激光器原理與制造第37頁(yè)工作特征5.光譜寬度6邊模抑制比7上升/下降時(shí)間8串聯(lián)電阻9熱阻半導(dǎo)體激光器原理與制造第38頁(yè)各特征關(guān)系半導(dǎo)體激光器原理與制造第39頁(yè)DFB-LD芯片制造一次外延生長(zhǎng)光柵制作二次外延生長(zhǎng)脊波導(dǎo)制作歐姆接觸、減薄解理成條

9、端面鍍膜解理成管芯TO-CAN半導(dǎo)體激光器原理與制造第40頁(yè)1.光柵制作1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕半導(dǎo)體激光器原理與制造第41頁(yè)2.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：1.低折射率層2.腐蝕停頓層3.包層4.帽層：接觸層半導(dǎo)體激光器原理與制造第42頁(yè)3.一次光刻一次光刻出雙溝圖形半導(dǎo)體激光器原理與制造第43頁(yè)4.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停頓層 半導(dǎo)體激光器原理與制造第44頁(yè)5.套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2自對(duì)準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕半導(dǎo)體激光器原理與制造第45頁(yè)6.三次光刻：電極圖形半導(dǎo)體激光器原理與制造第46頁(yè)7.歐姆接觸P面濺射TiPtAu減薄N面 TiAu半導(dǎo)體激光器原理與制造第47頁(yè)端面鍍膜先解理成條端面

10、鍍膜:高反膜增透膜 端面鍍膜作用: 1.增大出光功率，2.減小閾值電流 高反膜80-90%，增透膜5-10%半導(dǎo)體激光器原理與制造第48頁(yè)面發(fā)射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser半導(dǎo)體激光器原理與制造第49頁(yè)VCSEL 優(yōu)點(diǎn) 易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖有效耦合；有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片試驗(yàn)；在很寬溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作； 成品率高、價(jià)格低。半導(dǎo)體激光器原理與制造第50頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第51頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第52頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第53頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第54頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第55頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第56頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第57頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第58頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第59頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第60頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第61頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第62頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第63頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第64頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第65頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第66頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第67頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第68頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第69頁(yè)半導(dǎo)體激光器原理與制造第70頁(yè)半導(dǎo)體激光器