第5章 半導(dǎo)體激光器效率參數(shù)ppt課件

.,上節(jié)課回顧：1、增益譜及閾值增益；2、半導(dǎo)體激光器中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光場限制機(jī)制；3、半導(dǎo)體激光器中的光場模式,.,半導(dǎo)體激光器典型測試曲線,P-I,U-I以及光電轉(zhuǎn)換效率曲線,.,閾值電流密度,有源區(qū)內(nèi)的局部增益是均勻分布的，則模增益,分別是對(duì)應(yīng)模式的增益和限制因子,為局部閡值增益系數(shù),是鏡面末端損耗,是內(nèi)部損耗,.,afc是有源區(qū)內(nèi)的自由載流子吸收系數(shù)aout波導(dǎo)層中的吸收系數(shù)(主要也是自由載流子吸收)as是輻射遭受有源區(qū)晶格缺陷散射和厚度不均勻引起的損耗系數(shù)ac是輻射滲入波導(dǎo)層的損耗系數(shù),Je和Jh分別是流過異質(zhì)結(jié)勢壘的電子和空穴的漏電流J2為有源區(qū)電流密度；i為內(nèi)量子效率；Q2為諧振腔品質(zhì)因素；,.,1、功率效率加于激光器上的電功率轉(zhuǎn)換為輸出光功率的效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),降低rs，特別是制備良好的低電阻率的歐姆接觸是提高功率效率的關(guān)鍵。改善管芯散熱環(huán)境，降低工作溫度也有利于功率效率的提高。,.,2、內(nèi)量子效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),由于有源區(qū)內(nèi)存在雜質(zhì)缺陷及異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的非輻射復(fù)合和長波長激光器中的俄歇復(fù)合等因素，使得注入有源區(qū)的每一個(gè)電子空穴對(duì)不能100的產(chǎn)生輻射復(fù)合，即i總是小于1，但一般也有95以上，是轉(zhuǎn)換效率很高的激光器件。,.,3、外量子效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),ex是考慮到有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光子并不能全部發(fā)射出去，腔內(nèi)產(chǎn)生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射鏡端面損耗等。因?yàn)榧す馄饔屑ど涞拈撝堤匦?，所以?dāng)IIth時(shí)，P直線上升，ex變大。,.,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),4斜率效率(外微分量子效率,P-I曲線的斜率),.,半導(dǎo)體激光器的特征溫度,半導(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定性的衡量,.,半導(dǎo)體激光器制備流程圖,.,外延材料生長,.,半導(dǎo)體激光器電極制作過程,.,半導(dǎo)體激光器電極制作過程,.,N面低摻雜GaAs襯底采用GeAuNi/TiAuP面高摻雜采用TiPtAu形成歐姆接觸,半導(dǎo)體激光器表面金屬化,.,半導(dǎo)體激光器腔面的要求,半導(dǎo)體外延片解理形成腔面；腔面的鈍化；前后腔面鍍膜。,waferdiameter:3“chipsize:2mmx0.5mmnumberofchips:2000,.,半導(dǎo)體激光器腔面鈍化技術(shù),減小腔面光吸收增加腔面材料禁帶寬度；減小腔面氧化硫化技術(shù)、真空解理、無鋁有源區(qū)；減小腔面附近焦耳熱。,目前腔面COD最高水平大于100mW/um,.,電極窗口技術(shù),.,Bar的制備工藝,與單元器件基本一致；材料均勻性要求更高；每一步制作工藝可靠性要求更高；,waferdiameter:3“wavelengthDluniformity:Dl=2nmchipsize:2mmx0.5mmnumberofbars:100-200,.,Bar內(nèi)“超模”的抑制,超模：延垂直于腔長方向的振蕩模式，降低bar整體效率。,.,電極和熱沉,.,END,.,Bar的封裝與散熱,機(jī)械穩(wěn)定性；電連接；散熱問題；,以50%電光轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，一個(gè)典型的中等功率50W/bar，腔長為1mm，熱流密度為500W/cm2,.,典型的封裝形式,Barp面朝下焊接到熱沉上，熱沉充當(dāng)正極；熱沉根據(jù)散熱量不同分為有源、無源熱沉；N面電連接采用Cu箔或金絲引線。,發(fā)光方向,電流方向,熱散出方向,上電極,下電極,.,Bar的n面電連接,.,Bar與熱沉的焊接,難點(diǎn)：位置的控制,.,Bar與熱沉的焊接,難點(diǎn)：焊層內(nèi)部空洞問題產(chǎn)生原因：1、固化過程中的“出氣”；2、焊料氧化，浸潤性變差。,.,Bar焊接焊料的選擇,軟焊料純In材料具有非常好的延展性，抗疲勞性以及抗裂紋傳播率.適用于CTE與GaAs差別較大的熱沉材料與激光bar之間的焊接，例如：CVD金剛石、無氧銅和AlN等材料。硬焊料AuSn合金為激光bar焊接的首選硬焊料。適用于熱沉材料熱膨脹系數(shù)(CTE)與GaAs差別非常小的情況，例如：BeO熱沉和CuW合金熱沉。,.,In焊料的缺點(diǎn),極限壽命為104小時(shí)左右；光束質(zhì)量隨工作時(shí)間增加而降低（In蠕變加劇Smile效應(yīng)）；不利于更高功率工作（連續(xù)輸出功率120W/bar）；工業(yè)用低占空比完全調(diào)制硬脈沖條件下工作壽命幾百小時(shí)；控制激光bar結(jié)溫55。,.,Bar焊接的“Smile”效應(yīng),.,Bar封裝時(shí)的應(yīng)力特性,由于bar的GaAs襯底的熱膨脹系數(shù)與熱沉熱膨脹系數(shù)不一致引入應(yīng)力。,.,半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài),按電流的持續(xù)時(shí)間分：1、連續(xù)（CW）2、準(zhǔn)連續(xù)（QCW）3、脈沖（pulse）,按電流的變化程度分：1、連續(xù)（CW）2、軟脈沖（Softpulse）3、硬脈沖（Hardpulse）,.,不同脈寬情況下的熱效應(yīng),.,低占空比硬脈沖工作狀態(tài),.,AuSn焊料的特點(diǎn),高溫、高電流密度條件下穩(wěn)定性好；激光bar結(jié)溫可允