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1、上节课回顾：1、增益谱及阈值增益；增益谱及阈值增益；增益谱及阈值增益；增益谱及阈值增益；2 2、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制；、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制；、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制；、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制；3 3、半导体激光器中的光场模式、半导体激光器中的光场模式、半导体激光器中的光场模式、半导体激光器中的光场模式2021/3/112021/3/111 1半导体激光器典型测试曲线半导体激光器典型测试曲线P-I,U-I以及光电转换效率曲线以及光电转换效率曲线2021/3/112021/3/112 2阈值电流密度n n有源区内的局部增益是均匀
2、分布的，则模增益分别是对应模式的增益和限制因子分别是对应模式的增益和限制因子为局部阂值增益系数为局部阂值增益系数是镜面末端损耗是镜面末端损耗是内部损耗是内部损耗2021/3/112021/3/113 3afc是有源区内的自由载流子吸收系数是有源区内的自由载流子吸收系数aout波导层中的吸收系数波导层中的吸收系数(主要也是自由载流子吸收主要也是自由载流子吸收)as是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数ac是辐射渗入波导层的损耗系数是辐射渗入波导层的损耗系数Je和和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流分别是流过异质结势垒
3、的电子和空穴的漏电流J2为有源区电流密度；为有源区电流密度；i为内量子效率；为内量子效率；Q2为谐振腔品质因素；为谐振腔品质因素；2021/3/112021/3/114 41、功率效率功率效率 加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率半导体激光器的几个效率参数半导体激光器的几个效率参数 降低降低rs，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工
4、作温度也有利于功率效率的提高。有利于功率效率的提高。2021/3/112021/3/115 52、内量子效率半导体激光器的几个效率参数半导体激光器的几个效率参数由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合和由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的每一长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的每一个电子个电子空穴对不能空穴对不能100的产生辐射复合，即的产生辐射复合，即i总是小于总是小于1，但一般也有，但一般也有95以上，是转换效率很高的激光器件。以上，是转换效率很高的激光器件。2021/3/112021/3/116 63、
5、外量子效率半导体激光器的几个效率参数半导体激光器的几个效率参数ex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。因为激光器有激射的阈值特性，所以当因为激光器有激射的阈值特性，所以当IIth时，时，P直线上升，直线上升， ex变大。变大。2021/3/112021/3/117 7半导体激光器的几个效率参数半导体激光器的几个效率参数4 4 斜率效率斜率效率斜率效率斜率效率( (外微分量子效率外微分量子效率外微分量子效率外微分量子效率, P
6、-I, P-I曲线的斜率曲线的斜率曲线的斜率曲线的斜率) ) 2021/3/112021/3/118 8半导体激光器的特征温度半导体激光器的特征温度n n半导体激光器温度稳定性的衡量半导体激光器温度稳定性的衡量半导体激光器温度稳定性的衡量半导体激光器温度稳定性的衡量2021/3/112021/3/119 9半导体激光器制备流程图2021/3/112021/3/111010外延材料生长2021/3/112021/3/111111半导体激光器电极制作过程2021/3/112021/3/111212半导体激光器电极制作过程2021/3/112021/3/111313n nN面低掺杂GaAs衬底采用G
7、eAuNi/TiAun nP面高掺杂采用TiPtAun n形成欧姆接触半导体激光器表面金属化2021/3/112021/3/111414半导体激光器腔面的要求n n半导体外延片解理形成腔面；n n腔面的钝化；n n前后腔面镀膜。wafer diameter: 3“chip size: 2 mm x0.5 mmnumber of chips: 20002021/3/112021/3/111515半导体激光器腔面钝化技术n n减小腔面光吸收增加腔面材料禁带宽度；n n减小腔面氧化硫化技术、真空解理、无铝有源区；n n减小腔面附近焦耳热。目前腔面目前腔面COD最高水最高水平大于平大于100 mW /
8、 um2021/3/112021/3/111616电极窗口技术2021/3/112021/3/111717Bar的制备工艺n n与单元器件基本一致；n n材料均匀性要求更高；n n每一步制作工艺可靠性要求更高； wafer diameter: 3“wavelength Dl Dl uniformity: Dl = 2nmchip size: 2 mm x0.5 mmnumber of bars: 100 - 2002021/3/112021/3/111818Bar内“超模”的抑制超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar 整体效率。整体效率。2021/3
9、/112021/3/111919电极和热沉2021/3/112021/3/112020END2021/3/112021/3/112121Bar 的封装与散热n n机械稳定性；机械稳定性；n n电连接；电连接；n n散热问题；散热问题； 以以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功电光转换效率计算，一个典型的中等功率率50W/bar，腔长为，腔长为1mm，热流密度为，热流密度为500W/cm22021/3/112021/3/112222典型的封装形式n nBar pBar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极；面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极；面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极；面朝下焊接到热沉上，
10、热沉充当正极；n n热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉；热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉；热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉；热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉；n nNN面电连接采用面电连接采用面电连接采用面电连接采用CuCu箔或金丝引线。箔或金丝引线。箔或金丝引线。箔或金丝引线。发光方向电流方向热散出方向上电极下电极2021/3/112021/3/112323Bar 的n面电连接2021/3/112021/3/112424Bar与热沉的焊接n n难点：位置的控制难点：位置的控制难点：位置的控制难点：位置的控制3m3m2021/3/112021/3/112525Bar与热沉的焊接n
11、 n难点：焊层内部空洞问题产生原因：1、固化过程中的“出气”； 2、焊料氧化，浸润性变差。2021/3/112021/3/112626Bar焊接焊料的选择焊接焊料的选择n n软焊料软焊料软焊料软焊料 纯纯纯纯InIn材料具有非常好的延展性，抗疲劳性材料具有非常好的延展性，抗疲劳性材料具有非常好的延展性，抗疲劳性材料具有非常好的延展性，抗疲劳性以及抗裂纹传播率以及抗裂纹传播率以及抗裂纹传播率以及抗裂纹传播率. .适用于适用于适用于适用于CTECTE与与与与GaAsGaAs差别差别差别差别较大的热沉材料与激光较大的热沉材料与激光较大的热沉材料与激光较大的热沉材料与激光barbar之间的焊接，例如：
12、之间的焊接，例如：之间的焊接，例如：之间的焊接，例如：CVDCVD金刚石、无氧铜和金刚石、无氧铜和金刚石、无氧铜和金刚石、无氧铜和AlNAlN等材料。等材料。等材料。等材料。 n n硬焊料硬焊料硬焊料硬焊料 AuSn AuSn合金为激光合金为激光合金为激光合金为激光barbar焊接的首选硬焊料焊接的首选硬焊料焊接的首选硬焊料焊接的首选硬焊料。适用于热沉材料热膨胀系数适用于热沉材料热膨胀系数适用于热沉材料热膨胀系数适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)(CTE)与与与与GaAsGaAs差别差别差别差别非常小的情况，例如：非常小的情况，例如：非常小的情况，例如：非常小的情况，例如：BeOBeO热沉和热
13、沉和热沉和热沉和CuWCuW合金合金合金合金热沉。热沉。热沉。热沉。2021/3/112021/3/112727In 焊料的缺点焊料的缺点n n极限寿命为极限寿命为极限寿命为极限寿命为10104 4小时左右；小时左右；小时左右；小时左右；n n光束质量随工作时间增加而降低（光束质量随工作时间增加而降低（光束质量随工作时间增加而降低（光束质量随工作时间增加而降低（InIn蠕变加剧蠕变加剧蠕变加剧蠕变加剧SmileSmile效效效效应）；应）；应）；应）；n n不利于更高功率工作（连续输出功率不利于更高功率工作（连续输出功率不利于更高功率工作（连续输出功率不利于更高功率工作（连续输出功率120W/
14、bar120W/bar）；）；）；）；n n工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时；工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时；工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时；工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时；n n控制激光控制激光控制激光控制激光barbar结温结温结温结温5555。2021/3/112021/3/112828Bar 焊接的“Smile”效应2021/3/112021/3/112929Bar 封装时的应力特性n n由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉热膨胀系数不一致引入应力。2021/3/112021/3/113030半导体激
15、光器的工作状态n n按电流的持续时间分：按电流的持续时间分：1 1、连续（、连续（CWCW）2 2、准连续（、准连续（QCWQCW）3 3、脉冲（、脉冲（pulsepulse）n n按电流的变化程度分：按电流的变化程度分：1 1、连续（、连续（CWCW）2 2、软脉冲（、软脉冲（Soft pulseSoft pulse）3 3、硬脉冲（、硬脉冲（Hard pulseHard pulse）2021/3/112021/3/113131不同脉宽情况下的热效应2021/3/112021/3/113232低占空比硬脉冲工作状态低占空比硬脉冲工作状态2021/3/112021/3/113333AuSn焊料的特点焊料的特点n n高温、高电流密度条件下稳定性好；高温、高电流密度条件下稳定性好；n n激光激光bar结温可允许达结温可允许达80 ；n n寿命高达寿命高达3-4万小万小时；n n工工业用低占空比完全用低占空比完全调制硬脉冲条件下制硬脉冲条件下寿命与普通工作状寿命与普通工作状态寿命差寿命差别不大。不大。2021/3/112021/3/113434AuSn焊料的使用2021/3/112021/3/113535新一代新一代CTE热沉热沉2021/3/112021/3/113636Bar 内应力分布Cu heat sink barfacet2021/3/112021/3/113737
