半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu)

1、精品課件 半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu) 李璟 精品課件 半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu) n工作原理 n分類(lèi) n材料及器件結(jié)構(gòu) 精品課件 半導(dǎo)體激光器工作原理 n半導(dǎo)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(zhǎng)基本相同、強(qiáng)度較大）的光電子器件。 精品課件 半導(dǎo)體激光器工作原理 n工作三要素： 受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。 精品課件 自發(fā)光輻射和受激光輻射自發(fā)光輻射和受激光輻射 n自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管） 當(dāng)給器件加正向偏壓時(shí)，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(fù)合形成電子-空穴對(duì)，將多余 的能量以光子的形式釋放出來(lái)，所發(fā)射的光子相位

2、和方向各不相 同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。 n受激光輻射（半導(dǎo)體激光器） 在材料設(shè)計(jì)時(shí)，考慮將p區(qū)和n區(qū)重?fù)诫s等工藝，使得輻射光嚴(yán) 格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強(qiáng)度也較大，這種光輻射叫 做受激光輻射。 精品課件 法布里-珀羅諧振腔 (形成相干光) n垂直于結(jié)面的兩個(gè)平行的晶體解理面形成法布里-珀羅 諧振腔 ，兩個(gè)解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個(gè)端 面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率. n一定波長(zhǎng)的受激光輻射在諧振腔內(nèi)形成振蕩的條件: 腔長(zhǎng)=半波長(zhǎng)的整數(shù)倍 L=m(/2n) 精品課件 增益和閾值電流 n增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增 強(qiáng)。 n損耗：受激輻射在諧振腔中

3、來(lái)回反射時(shí)的能量損耗。 包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。 n閾值電流：增益等于損耗時(shí)的注入電流。 精品課件 半導(dǎo)體激光器的分類(lèi)（材料和波長(zhǎng)） n可見(jiàn)光： GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480490nm 藍(lán)綠光 InGaAlP/GaAs 630680nm AlGaAs/GaAs 720760nm n近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)： GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760900nm InGaAs/GaAs 980nm n遠(yuǎn)紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)： InP襯底 InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um 精品課件 半導(dǎo)體激光器材料和器件結(jié)構(gòu) n808大功率激光器結(jié)構(gòu) 精品課件 半導(dǎo)體激

4、光器材料生長(zhǎng) 采用MOCVD方法制備外延層，外延層包括緩沖層、限制層、有源 層、頂層、帽層。有源層包括上下波導(dǎo)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(huì)限制在有源區(qū)中，它們復(fù)合產(chǎn)生的 光波又能有效地限制在波導(dǎo)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。 精品課件 半導(dǎo)體激光器器件制備 大片工藝包括大片工藝包括：材料頂層光刻腐蝕出條形、氧化層制備光刻、P面和N面 電極制備、襯底減薄。 條形結(jié)構(gòu)條形結(jié)構(gòu)：在平行于結(jié)平面方向上也希望同垂直方向一

5、樣對(duì)載流子和光 波進(jìn)行限制，因此引進(jìn)了條形結(jié)構(gòu)。 條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 1. 使注入電流限制在條形有源區(qū)內(nèi)，限制載流子的側(cè)向擴(kuò)散， 使 閾值電流降低； 2. 有源區(qū)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過(guò)周?chē)膫€(gè)方向的無(wú)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(yuǎn)場(chǎng)特性改善。 精品課件 條形結(jié)構(gòu)類(lèi)型 從對(duì)平行于結(jié)平面方向的載流子和光波限制情況可分為增益波導(dǎo)條形激 光器(普通條形)和折射率波導(dǎo)條形激光器(掩埋條形、脊形波導(dǎo))。 精品課件 增益波導(dǎo)條形激光器 (普通條形) n特點(diǎn)：特點(diǎn)：只對(duì)注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)

6、向 擴(kuò)散有限制作用，對(duì)光波側(cè)向滲透沒(méi)有限制作用。 n我們的808大功率激光器屬于這種結(jié)構(gòu)：把p+重?fù)诫s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(cè)向仍是相同的材料，折射率是一樣的，對(duì)光場(chǎng) 的側(cè)向滲透沒(méi)有限制作用，造成遠(yuǎn)場(chǎng)雙峰或多峰、光 斑不均勻，同時(shí)閾值高、光譜寬、多縱摸工作，有時(shí) 會(huì)出現(xiàn)扭折問(wèn)題。 精品課件 折射率波導(dǎo)條形激光器（掩埋條形） n特點(diǎn)：不僅對(duì)注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè) 向擴(kuò)散有限制作用，而且對(duì)光波側(cè)向滲透也有限制作 用。 nInP襯底的1310nm 、1480nm激光器屬于這種結(jié)構(gòu)， 需要三次外延生長(zhǎng)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：條形有源區(qū)的側(cè) 向?qū)d流子和光場(chǎng)都有限制，輻射光絲穩(wěn)定，能夠單 膜工作，遠(yuǎn)場(chǎng)單峰、光斑均勻，光譜窄、閾值低、可 靠性高。 精品課件 弱折射率波導(dǎo)條形激光器（脊形波導(dǎo)）脊形波導(dǎo)） 特點(diǎn)：特點(diǎn)：在側(cè)向?qū)獠?/p>