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1、半导体激光器原理与制造,Semiconductor laser diode Principle&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,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 电子总是先填充低能级，
2、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
3、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： 异质结界面态的复合 缺陷复合：有源区都是本征材料 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
4、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（Index guide LD）,横模（侧横模）,2.弱折射率
5、导引激光器：脊波导型激光器（RWG-LD）,折射率导引激光器（Index guide LD）,横模（侧横模）,条形激光器,增益导引激光器(Gain guide LD),几种典型的折射率导引激光器,远场特性,随有源区厚度及折射率差的减小而减小。 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-LD,F-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： 有源区的
6、体积：腔长、条宽、厚度 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 解理面、镀膜 电场和光场的限制水平 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 = T / Ln（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差 Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小 Eg,工作特性,3.外微分量子效率d （斜率效率）： 可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。 d = P / I 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
7、的改变b / T： 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b / T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,一次外延生长 光栅制作 二次外延生长 脊波导制作 欧姆接触、减薄 解理成条 端面镀膜 解理成管芯 TO-CAN,1.光栅制作,1.全息曝光 2.干法或湿法刻蚀,2.二次
8、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,P面溅射TiPtAu 减薄 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,Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL 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,3 PECVD 生长 SiO2， 填充聚酰亚胺,VCSEL 芯片制造,4 欧姆接触,