半導(dǎo)體激光器原理與制造SemiconductorlaserdiodePrinciple&Fabrication1半導(dǎo)體激光器原理與制造Semiconductorlaser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.工作特性及參數(shù)4.結(jié)構(gòu)及制造工藝5.面發(fā)射激光器2主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)2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的分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的材料選擇3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)能帶理論3能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(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，導(dǎo)致能級(jí)分裂，由于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級(jí)非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，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)帶中沒有電子4能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體5導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體5能帶中電子和空穴的分布導(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)，它在能帶中的位置直觀的標(biāo)志著電子占據(jù)量子態(tài)的情況。費(fèi)米能級(jí)位置高，說明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子。6能帶中電子和空穴的分布導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底。6能帶中電子和空穴的分布N型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）7能帶中電子和空穴的分布N型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布能帶中電子和空穴的分布P型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）8能帶中電子和空穴的分布P型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布量子躍遷光的自發(fā)發(fā)射（是半導(dǎo)體發(fā)光的基礎(chǔ)）光的受激吸收（是半導(dǎo)體探測(cè)器工作的基礎(chǔ)）9量子躍遷光的自發(fā)發(fā)射9量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)所有特征（頻率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半導(dǎo)體激光器的工作原理基礎(chǔ)。10量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合量子躍遷非輻射躍遷：異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合缺陷復(fù)合：有源區(qū)都是本征材料俄歇復(fù)合：對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響11量子躍遷非輻射躍遷：11量子躍遷特點(diǎn)：12量子躍遷特點(diǎn)：12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)的波矢不同，必須有相應(yīng)的聲子參與吸收和發(fā)射以保持動(dòng)量守恒，所以躍遷幾率低。13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，間接帶隙半半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制作用異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用異質(zhì)結(jié)的高注入比14半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：14異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用15異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用15半導(dǎo)體激光器的材料選擇1-能在所需的波長(zhǎng)發(fā)光2-晶格常數(shù)與襯底匹配16半導(dǎo)體激光器的材料選擇1-能在所需的波長(zhǎng)發(fā)光16半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件：1有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布2諧振腔：使受激輻射多次反饋，形成振蕩3滿足閾值條件，使增益>損耗，有足夠的注入電流。17半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件：17雙異質(zhì)結(jié)激光器18雙異質(zhì)結(jié)激光器18分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器19分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器19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，導(dǎo)致P-I曲線出現(xiàn)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)各層的厚度和各層之間的折射率差決定。20橫模（兩個(gè)方向）半導(dǎo)體激光器通常是單橫模（基模）工作。20橫模（側(cè)橫模）1.強(qiáng)折射率導(dǎo)引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器（BH-LD）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD）21橫模（側(cè)橫模）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD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（IndexguideLD）22橫模（側(cè)橫模）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(GainguideLD)23橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(Gainguide幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器24幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器24遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。θ∥隨有源區(qū)寬度的減小而增大。減小有源區(qū)的寬度，可以使遠(yuǎn)場(chǎng)更趨向于圓形光斑。減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。25遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。25縱模F-P腔激光器：多縱模工作DFB激光器單縱模工作26縱模F-P腔激光器：26F-P腔激光器27F-P腔激光器272828DFB激光器29DFB激光器29DFB-LD與DBR-LD30DFB-LD與DBR-LD30F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔31F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔31DFB-LD的增益與損耗32DFB-LD的增益與損耗32工作特性1.閾值電流

Ith

影響閾值電流的因素：有源區(qū)的體積：腔長(zhǎng)、條寬、厚度材料生長(zhǎng)：摻雜、缺陷、均勻性解理面、鍍膜電場(chǎng)和光場(chǎng)的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33工作特性1.閾值電流Ith33工作特性2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：

測(cè)試：To=ΔT/ΔLn（Ith）影響To的因素：限制層與有源層的帶隙差ΔEg對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，To隨溫度升高而減小

ΔEg34工作特性2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：34工作特性3.外微分量子效率ηd

（斜率效率）：可以直觀的用來比較不同的激光器性能的優(yōu)劣。ηd=ΔP/ΔI外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率輸出隨注入靈敏度太高，器件容易被損壞。35工作特性3.外微分量子效率ηd（斜率效率）：35工作特性4.峰值波長(zhǎng)隨溫度的改變?chǔ)う薭/ΔT：對(duì)F-P-LD，當(dāng)激光器的溫度升高時(shí)，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時(shí)波導(dǎo)層的有效折射率發(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)光柵周期變化很小，所以Δλb/ΔT小于0.1nm/℃。36工作特性4.峰值波長(zhǎng)隨溫度的改變?chǔ)う薭/ΔT：36F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾37F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾37工作特性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38工作特性5.光譜寬度38各特性的關(guān)系39各特性的關(guān)系39DFB-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、減薄解理成條端面鍍膜解理成管芯TO-CAN40DFB-LD芯片制造一次外延生長(zhǎng)401.光柵制作1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕411.光柵制作1.全息曝光412.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：1.低折射率層2.腐蝕停止層3.包層4.帽層：接觸層422.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：423.一次光刻一次光刻出雙溝圖形433.一次光刻一次光刻出雙溝圖形434.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層444.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層445.套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2自對(duì)準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕455.套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2456.三次光刻：電極圖形466.三次光刻：電極圖形467.歐姆接觸P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu477.歐姆接觸P面濺射TiPtAu47端面鍍膜先解理成條端面鍍膜:高反膜\增透膜端面鍍膜的作用:

1.增大出光功率，2.減小閾值電流高反膜80-90%，增透膜5-10%48端面鍍膜先解理成條48面發(fā)射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaser49面發(fā)射激光器VerticalCavitySurfaceVCSEL的優(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)與光纖的有效耦合；

●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)后無須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)；

●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；

●成品率高、價(jià)格低。50VCSEL的優(yōu)點(diǎn)●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；

●515152525353545455555656575758585959606061616262636364646565666667676868696970707171管芯截面圖72管芯截面圖72濕氮氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)備73濕氮氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)備73VCSEL芯片制造1一次光刻、干法或濕法腐蝕74VCSEL芯片制造1一次光刻、干法或濕法腐蝕74VCSEL芯片制造2濕氮氧化75VCSEL芯片制造2濕氮氧化75VCSEL芯片制造3PECVD生長(zhǎng)SiO2，填充聚酰亞胺76VCSEL芯片制造3PECVD生長(zhǎng)SiO2，76VCSEL芯片制造4歐姆接觸77VCSEL芯片制造4歐姆接觸77半導(dǎo)體激光器原理與制造SemiconductorlaserdiodePrinciple&Fabrication78半導(dǎo)體激光器原理與制造Semiconductorlaser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.工作特性及參數(shù)4.結(jié)構(gòu)及制造工藝5.面發(fā)射激光器79主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)2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的分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的材料選擇80半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)能帶理論3能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(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，導(dǎo)致能級(jí)分裂，由于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級(jí)非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，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)帶中沒有電子81能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體82導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體5能帶中電子和空穴的分布導(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)，它在能帶中的位置直觀的標(biāo)志著電子占據(jù)量子態(tài)的情況。費(fèi)米能級(jí)位置高，說明有較多能量較高的量子態(tài)上有電子。83能帶中電子和空穴的分布導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底。6能帶中電子和空穴的分布N型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）84能帶中電子和空穴的分布N型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布能帶中電子和空穴的分布P型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布（熱平衡狀態(tài)）85能帶中電子和空穴的分布P型半導(dǎo)體中的電子和空穴在能級(jí)中的分布量子躍遷光的自發(fā)發(fā)射（是半導(dǎo)體發(fā)光的基礎(chǔ)）光的受激吸收（是半導(dǎo)體探測(cè)器工作的基礎(chǔ)）86量子躍遷光的自發(fā)發(fā)射9量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)所有特征（頻率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半導(dǎo)體激光器的工作原理基礎(chǔ)。87量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵(lì)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合量子躍遷非輻射躍遷：異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合缺陷復(fù)合：有源區(qū)都是本征材料俄歇復(fù)合：對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響88量子躍遷非輻射躍遷：11量子躍遷特點(diǎn)：89量子躍遷特點(diǎn)：12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)的波矢不同，必須有相應(yīng)的聲子參與吸收和發(fā)射以保持動(dòng)量守恒，所以躍遷幾率低。90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，間接帶隙半半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制作用異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用異質(zhì)結(jié)的高注入比91半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：14異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用92異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)的限制作用15半導(dǎo)體激光器的材料選擇1-能在所需的波長(zhǎng)發(fā)光2-晶格常數(shù)與襯底匹配93半導(dǎo)體激光器的材料選擇1-能在所需的波長(zhǎng)發(fā)光16半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件：1有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布2諧振腔：使受激輻射多次反饋，形成振蕩3滿足閾值條件，使增益>損耗，有足夠的注入電流。94半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件：17雙異質(zhì)結(jié)激光器95雙異質(zhì)結(jié)激光器18分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器96分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器19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，導(dǎo)致P-I曲線出現(xiàn)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)各層的厚度和各層之間的折射率差決定。97橫模（兩個(gè)方向）半導(dǎo)體激光器通常是單橫模（基模）工作。20橫模（側(cè)橫模）1.強(qiáng)折射率導(dǎo)引的掩埋異質(zhì)結(jié)激光器（BH-LD）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD）98橫模（側(cè)橫模）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD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（IndexguideLD）99橫模（側(cè)橫模）折射率導(dǎo)引激光器（IndexguideLD橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(GainguideLD)100橫模（側(cè)橫模）條形激光器增益導(dǎo)引激光器(Gainguide幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器101幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器24遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。θ∥隨有源區(qū)寬度的減小而增大。減小有源區(qū)的寬度，可以使遠(yuǎn)場(chǎng)更趨向于圓形光斑。減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。102遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。25縱模F-P腔激光器：多縱模工作DFB激光器單縱模工作103縱模F-P腔激光器：26F-P腔激光器104F-P腔激光器2710528DFB激光器106DFB激光器29DFB-LD與DBR-LD107DFB-LD與DBR-LD30F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔108F-P-LD與DFB-LD的縱模間隔31DFB-LD的增益與損耗109DFB-LD的增益與損耗32工作特性1.閾值電流

Ith

影響閾值電流的因素：有源區(qū)的體積：腔長(zhǎng)、條寬、厚度材料生長(zhǎng)：摻雜、缺陷、均勻性解理面、鍍膜電場(chǎng)和光場(chǎng)的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110工作特性1.閾值電流Ith33工作特性2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：

測(cè)試：To=ΔT/ΔLn（Ith）影響To的因素：限制層與有源層的帶隙差ΔEg對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，To隨溫度升高而減小

ΔEg111工作特性2.特征溫度To（表征激光器的溫度穩(wěn)定性）：34工作特性3.外微分量子效率ηd

（斜率效率）：可以直觀的用來比較不同的激光器性能的優(yōu)劣。ηd=ΔP/ΔI外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率輸出隨注入靈敏度太高，器件容易被損壞。112工作特性3.外微分量子效率ηd（斜率效率）：35工作特性4.峰值波長(zhǎng)隨溫度的改變?chǔ)う薭/ΔT：對(duì)F-P-LD，當(dāng)激光器的溫度升高時(shí)，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時(shí)波導(dǎo)層的有效折射率發(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)光柵周期變化很小，所以Δλb/ΔT小于0.1nm/℃。113工作特性4.峰值波長(zhǎng)隨溫度的改變?chǔ)う薭/ΔT：36F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾114F-P-LD與DFB-LD的頻率啁啾37工作特性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115工作特性5.光譜寬度38各特性的關(guān)系116各特性的關(guān)系39DFB-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、減薄解理成條端面鍍膜解理成管芯TO-CAN117DFB-LD芯片制造一次外延生長(zhǎng)401.光柵制作1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕1181.光柵制作1.全息曝光412.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：1.低折射率層2.腐蝕停止層3.包層4.帽層：接觸層1192.二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)：423.一次光刻一次光刻出雙溝圖形1203.一次光刻一次光刻出雙溝圖形434.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層1214.脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層445.套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2