半导体激光器的设计和工艺
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作
44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。
与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。
一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。
半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。
正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。
随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。
高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。
器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。
本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。
2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。
半导体激光器设计
半导体激光器设计半导体激光器是一种基于半导体材料的发光二极管，通过注入电流来产生激发的光电子，从而实现光的放大和激光器输出光的产生。
其独特的性能和特点使其被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
在本文中，我们将讨论半导体激光器的设计原理、结构和工作原理。
首先，半导体激光器的设计原理主要涉及基于材料的选择和结构的设计。
对于半导体激光器而言，材料的选择非常关键，一般选取的材料包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等III-V族化合物半导体材料。
这些材料具有很好的电子迁移率和较小的自发辐射损耗，使得光子可以在材料中较长距离地传播。
其次，半导体激光器的结构设计一般包括活性层、波导层和电极等部分。
活性层是激光器的关键部分，其中的激子产生和复合过程决定了激光器的性能。
波导层用于引导和放大光信号，通常采用高折射率的材料。
电极是用于注入电流的部分，通过控制电流的大小可以控制激光器的输出功率。
半导体激光器的工作原理是基于半导体材料中存在的能带结构和载流子的输运过程。
在半导体材料中，能带分为导带和价带，两者之间存在能隙。
在正常情况下，导带是空的，而价带是满的。
当外加电压或注入电流时，电子从价带跃迁至导带，产生激发的光子。
这些光子会被反射和放大，最终通过光输出窗口发射出来，形成激光。
根据半导体激光器的特点和应用需求，设计者需要考虑一系列的参数和技术。
首先，激光器的输出功率和效率是非常重要的参数。
通过控制材料的选择、结构的设计和电极的布局，可以实现高输出功率和较高的光-电转换效率。
其次，激光器的波长也是需要关注的参数，不同波长的激光器适用于不同领域的应用。
最后，温度和输出光的稳定性也是激光器设计中需要重点考虑的。
总结起来，半导体激光器的设计涉及材料的选择、结构的设计和电极的布局等多个方面。
通过合理的设计和参数选择，可以实现半导体激光器的高效和稳定输出。
随着半导体材料和制备技术的进一步发展，未来半导体激光器将在更广泛的领域发挥其重要作用。
半导体激光器 制造 封装
TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式， 在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺 简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构广泛用 于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。 TO管壳内部空间很小，而且只有四根引线，不可能安 装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势，封 装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达 到 10Gb/s。
半导体LD的特点及与LED区别
特点：效率高、体积小、重量轻、 可 靠 ， 结构简 单 ； 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器 可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光。 LED发射的是自发辐射光。 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结
(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间， 不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
半导体激光器的制作工艺、 封装技术和可靠性
目录
1.半导体材料选择 2.制作工艺概述 3.DFB和VCSEL激光器芯片制造 4.耦合封装技术
1.半导体激光器材料选择
❖ 半导体激光器材料主要选 取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、 三元或四元），大多为直 接带隙材料，发光器件的 覆盖波长范围从0.4μm到 10μm。
半导体激光器的设计和工艺
半导体激光器的设计和工艺半导体激光器的设计包括器件结构设计和材料选择两个方面。
首先，器件结构设计是指设计半导体激光器的层状结构和电极形状。
层状结构通常由波导层、活性层和衬底层等部分组成。
其中，波导层用于引导激光的传输，活性层是激发发射激光的重要部分，衬底层用于支撑整个器件。
波导层通常采用半导体材料的异质结构，如GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP等。
其中，GaAs和AlGaAs在能带结构上存在能带差异，可以形成波导。
活性层通常采用单量子阱结构或双量子阱结构，以增强电子和空穴之间的相互作用，从而增强激光的放大效应。
衬底层通常采用GaAs或InP等材料，用于提供较好的机械支撑。
材料选择方面，要选择具有较大的发射系数和较小的损耗系数的半导体材料，以提高激光器的效率和输出功率。
此外，还要考虑材料的耐热性和稳定性，以确保激光器的长期可靠性。
半导体激光器的制备工艺主要包括光刻、沉积、腐蚀、蒸镀、扩散等步骤。
首先，光刻工艺用于制备掩膜，以定义器件的结构。
沉积工艺用于在衬底上生长各种半导体薄膜，如波导层和活性层。
腐蚀工艺用于去除不需要的材料，如形成窗口以便注入电流。
蒸镀工艺用于镀上金属电极。
扩散工艺用于调制材料的掺杂浓度，以改变电流传输和激发效果。
除了基本的制备工艺，还需要进行多种表征和测试工艺，以评估激光器的性能。
例如，光谱测试可用于测量激光器的波长和发光强度。
应变测试可用于评估激光器的应变效应和失谐效应。
温度测试可用于研究激光器的温度特性和热效应等。
这些测试结果将为激光器的优化和改进提供指导。
综上所述，半导体激光器的设计和工艺涉及器件结构设计、材料选择、制备工艺和测试工艺等多个方面。
通过合理的设计和优化的工艺流程，可以获得高性能的半导体激光器，以满足不同应用领域的需求。
《高功率980nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》范文
《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的进步，高功率半导体激光器在科研、工业、医疗等领域的应用越来越广泛。
其中，980 nm波段的半导体激光器因其独特的光学特性和应用价值，受到了广泛的关注。
本文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、外延结构设计1. 材料选择外延结构的设计首先需要选择合适的外延材料。
考虑到高功率、高效率及稳定性等要求，我们选择了一种高电子迁移率和高热导率的材料作为基底，以保证激光器的稳定运行。
此外，还通过选择适当的掺杂元素来提高内量子效率和减少电流散溢。
2. 结构分层设计针对高功率输出和良好光束质量的需求，我们将外延结构分为多层结构。
主要包括以下部分：基底层、反射镜层、多量子阱（MQW）结构层、欧姆接触层等。
其中，多量子阱结构层是关键部分，其设计直接影响到激光器的性能。
3. 特殊结构设计为了进一步提高激光器的性能，我们设计了一些特殊结构。
例如，采用渐变折射率层以减少光在传输过程中的损耗；在多量子阱结构中引入应力层以提高内量子效率；以及在欧姆接触层中优化电极设计以提高电流注入效率等。
三、性能研究1. 实验方法我们通过分子束外延技术（MBE）和金属有机气相沉积（MOCVD）等工艺进行外延生长，并利用光刻、干湿法刻蚀等工艺制备出激光器芯片。
然后通过测试其阈值电流、斜率效率、光束质量等参数来评估其性能。
2. 实验结果及分析实验结果显示，高功率980 nm半导体激光器具有良好的光束质量和低阈值电流等特点。
与传统的半导体激光器相比，其在光功率、效率和寿命等方面都有显著的优势。
同时，我们也观察到通过引入特殊结构的设计，激光器的性能得到了进一步的提升。
例如，渐变折射率层的设计显著降低了光在传输过程中的损耗；而优化电极设计则提高了电流注入效率，从而提高了激光器的输出功率。
四、结论本文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
半导体激光器 工艺流程
半导体激光器工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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光通信中的半导体激光器设计与模拟
光通信中的半导体激光器设计与模拟激光器是光通信中不可或缺的关键元件，它能够将电信号转化为光信号，并将信号传输到目标地点。
半导体激光器是一种常用的光通信激光器，具有体积小、功耗低、调制速度快等优点。
在光通信领域中，半导体激光器的设计与模拟是至关重要的环节，可以帮助工程师们优化激光器的性能，提高通信系统的传输效率。
一、半导体激光器的基本原理半导体激光器是利用半导体材料电、光、热效应之间的相互作用进行工作的。
它由一个反射镜和一个半导体材料构成。
当施加正向电压时，电流通过半导体材料，激发电子从价带跃迁到导带，在导带中产生一对电子和空穴。
这些激发的载流子在材料中发生复合，产生辐射性复合过程，这就是激光的基本原理。
二、半导体激光器的设计在半导体激光器的设计过程中，有多个关键的参数需要考虑。
首先是选择合适的半导体材料，例如GaAs，InP等，这些材料的能隙决定了激光器的工作波长。
其次是设计激光器的结构，包括激光腔的尺寸、反射镜的反射率等。
最后是激光器的电路设计，包括反向偏置电压的选择、电流的控制等。
在设计过程中，需要通过模拟和仿真来确定各个参数的最佳取值。
光学仿真软件如Lumerical等可以模拟激光器的光学性能，如包括光场分布、增益特性、谐振频率等。
电子仿真软件如COMSOL等可以模拟激光器中的电子流动和载流子的复合，帮助优化电流和反向偏置电压的设计。
这些模拟和仿真的结果可以指导实际的激光器制造过程，提高激光器的性能和可靠性。
三、半导体激光器的模拟半导体激光器的模拟是设计过程中不可或缺的一环。
通过电磁场和电子流动的模拟，可以预测激光器的性能如输出功率、谐振频率等，并优化设计参数。
常见的模拟方法包括有限元方法、有限差分时间域法等。
有限元方法是一种广泛应用的模拟方法，可以用来求解激光腔中的光场分布和增益特性。
在这个方法中，激光腔被分解为一系列小的单元，然后通过求解波动方程和Maxwell方程来得到光场的分布。
此外，有限元方法还能模拟激光器中的电子流动和载流子复合等电学特性。
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动态单模所需的模式间的损耗差
短腔激光 器纵模谱 VCSEL纵模谱
13
各种DFB激光器的结构
解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题: (a)高反和增透 膜，(b) λ/4位移，(c)相位调制。(d)(e)抑制空间烧孔实现窄 线宽。采用增益藕合DFB更容易实现单模
14
与SOA和EA调制器集成的多波长DFB激光器阵列
5
五.半导体激光器的基本工艺和特性
1.半导体激光器的工艺过程 2.激光器微分特性 3.激光器寿命 4.激光器阈值电流的温度特性
6
一. 半导体激光器的基本结构
• 1.半导体双异质结构
双异质结构实现： 1. 载流子的超级注入 2. 光场限制 3. 载流子限制
(a) 单面注入和超级注入 (b)电场下电子的漂移 (c) 电子和光限制 (d)隧穿
• 1. 平板波导的模式，TE和TM模
X
二维（x-z）波导中波函数
φ (x, z,t) = φ (x) exp(iβz − iωt) ,
φ (x, z, t)代表电磁场的各个分量,
不为零的场分量：
j 层 折射率nj 增益gj 厚度dj
TE 模： Ey(x, z, t)，Hx(x, z, t) and Hz(x, z, t) TM 模： Hy(x, z, t), Ex(x, z, t) and Ez(x, z, t). 满足方程
三.半导体中的光跃迁和增益
• 1. 费米分布函数及跃迁速率 • 2. 电子波函数及跃迁矩阵元 • 3.简约态密度及增益谱 • 4.模式的自发辐射速率 • 5.应变量子阱的能带和增益谱数值结果 • 6.能带，跃迁矩阵元和增益谱数值结果 • 7.增益谱峰值的近似表达式
4
四. 速率方程和动态效应
• 1．单模速率方程及基本物理量 • 2．稳态输出 • 3. 共振频率和3dB带宽 • 4. 载流子输运效应对带宽影响 • 5. 开启延迟时间 • 6. 线宽增宽因子和动态频率啁啾 • 7. 自发辐射引起的噪声 • 8. 相对强度噪声 • 9. 模式线宽 • 10. 多模速率方程
7
第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器(1970 年)以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化
• 1970年第一支RT-CW GaAs/AlGaAsDH LD:
Z. Alferov, IEEE J.STQE, vol. 6, p.832(2000)
(第一支RT-CW 1.5µm GaInAsP/InP LD, JJAP, vol.18, p.2333,1979)
• 激光器类型 调谐机制
优点
缺点
供应商
• DFB激光器 Uniphase
•
温度
波长稳定
低输出功率
Nortel, JDS
工艺成熟
调谐范围有限低速 Fujitsu
• DBR激光器 •
Uniphase •
MultiplexN
温度 电流
高输出功率 成品率
ADC,Agere,Agility
快速
尺寸,低输出功率 Alcatel, JDS
GaInNAs InAs InSb
-2
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Lattice constant (A)
28
不同类型的半导体异质结构
量子级联激光器 (AlInAs/GaInAs )
F. Capasso, IEEE J. STQE, vol. 6, p.931(2000)
29
二. 半导体光波导
K.Kudo, IEEE PTL, vol. 12, p.242(2000) 15
分布布拉格反射器(DBR) 激光器(布拉格 反射区是无源的)
垂直腔面发射激光器 (VCSEL):平面工艺制作，不 要解理端面，对称的远场光 束，窄线宽，易于光纤藕合
16
6. 波长可调谐半导体激光器
• 波长可调谐半导体激光器的技术选择
宽调谐范围 波长不稳定
Marconi,
• 外腔激光器 Iolon,
• •
机械 电流
宽调谐范围 成本高
高输出功率 环境敏感
光谱纯
低调谐速度
New Focus, Blue Sky
• VCSEL
机械
成本低
低输出功率
17
Bandwidth9,
可调谐半导体激光器结构示意图
18
可调谐DBR激光器波长随温度的变化及用电调制保持变温时 波长不变
21
激射波长的调节
R.O’Dowd, IEEE J-STQE, vol.7, p.259(2001)
22
微机电调谐VCSEL
C.J.Chang-Hasnain, IEEE J.STQE, vol.6,p.978(2000)
23
7.长波长VCSEL的进展
A. Karim et al, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1244(2000)
8
2.Fabry-Perot谐振腔(纵模)
• r1r2exp(i2βl+gl)
exp(iβl+gl/2)
r1
l
r2
r1r2exp(i2βl+gl)=1
阈值条件: r1r2exp(gl)=1 谐振条件: 2βl=2mπ (m纵模数, β=2πn/λ )
r2exp(iβl+gl/2)
⇒纵模间隔 δλ=λ2/(2ngl) 群折射率 ng=n-λdn/dλ一般比折射率 n大20~30% 在GaAs和InGaAsP 双异质结边发射激光器中ng=4~4.5
2
二.半导体光波导
• 1. 平板波导的模式，TE和TM模 • 2. 光限制因子和模式增益 • 3. 一维多层波导结构(VCSEL)光场分布 • 4. 半导体激光器镜面反射系数 • 5. DFB激光器的藕合模理论 • 6. DFB半导体激光器的一维模拟 • 7. 等效折射率近似 • 8. 数值模拟
3
J.K.Hwang,IEEE PTL, vol.12,p.1293(2000)
Opening length
Output waveguide
ETR
Active region
Electrode
Substrate
Y.Z. Huang et al, IEEE J.QE, vol. 37, p.100, p.1259(2001)
远场分布（近场的衍射）：
U(θ )
=
cos2θ λ2R2
∫φ(x)exp(ik0 sinθx)dx 2
32
2.光限制因子和模式增益
• 复传播常数β =βr + iβi ，模式折射率 N = βr/k0,
• 模式增益
G = - 2βi.
• 传统的光限制因子定义为限制在有源区中的功率流的比
例 在
，有即源E区y(中x)的Ey*的(x比)（例T,E模下）面和的
11
4.横模控制
• 对边发射激光器横模是生长方向的模式分布，各层厚度可以由材
料生长所控制，很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主
要是载流子和光场限制，以及得到小的远场发散角以利光纤耦合。
大的光场限制（降低阈值）和小的远场发散角必须折衷选择。
I PiN
Ec
Ec
Ev
Ev
Eg
n
Ec
光场 分布
双异质结(DH)
9
3. 侧模控制(基侧模)
电极 氧化物 P-限制层 有源层 N-限制层
(a)
质子轰击区
(b)
非自建的增益波导，即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布 构成的：(a)氧化物只在电极处限制电流注入； (b)质子轰击在半导体 中形成电流注入通道。
10
电隔离的氧化 物或有机物
(c)
(d)
P外延层 N外延层 P外延层
ΓHTyM(x对)H应y*E(x(xx))E(Tx*M(x模)）
（TM模）。
• 从模式增益(设有源区外其它各层增益为零）出发，定
义限制因子为γ = G/gi：
2
γ TE
=
∫inr (x) Ey (x) dx N ∫−∞∞ Ey (x) 2 dx
=
n0 N
ΓTE
,
γ TM
=
N ∫inr (x)[ Ex (x) 2 + Ez (x) 2 ]dx ∫−∞∞ nr2 (x) Ex (x) 2 dx
24
长波长VCSEL的DBR材料选择
1550-nm VCSEL 的DBR峰值反 射系数与DBR周期数的关系
热阻κ1和κ2（W/cmK)
25
8.微腔激光器和光子晶体
A. Yariv, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1478(2000)
M.Fujita et al IEEE J. STQE, vol. 5, p.673(1999)
19
电注入调谐DBR半导体激光器的典型结果: 波长变化 是不连续的，有跳模发生
T.L.Koch et al, APL, vol.53, p.1036(1988) 20
Superstructure-grating DBR lasers (NEL)
（e-beam, low power)
调制电流 迭加一起的输出光谱
0.01µm
d
d (µm) 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 Γ (%) 0.94 1.42 1.75 1.69 1.54
Squared Electric Field Far Field Distribution
1.6
0.2µm
1.4
1.2
d=0.1mm
0.3µm 0.4mm
1.0
0.8