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现在我们来看一下光泵半导体

薄片激光器的基本理论

前面在讲些SESAM的时候

大家已经接触过半导体了

半导体的有几个基本的参数

还记得第一个是禁带宽度

就是半导体的吸收波长呢

取决于能带的间隙

也就是禁带宽度

一般的材料呢

它是有不同的元

比方说三五族化合物

有GaAs InGaAs

InGaAsP

或者是InP这些材料

那如果这个材料没有应变的话

这个材料它的禁带宽度

用一般的来说

用这个经验公式来给

比方说InGaAs

里头的In的含量

如果以x来表示的话呢

x的不同的组份产生的

禁带宽度就不一样

这个图呢给出来不同材料它的禁带宽度

左边是禁带宽度

右边是对应的波长

因为hν这个能带

就等于跟波长是有关系的

横轴呢是给的是晶格常数

这个就是它的另外一个参数就是晶体

因为在长半导体材料的时候

要长一个量子阱

因此它有阱材料

有势垒材料

这两种材料在长的过程中呢

它的晶格常数是不一样的

那如果晶格常数不一样

就会产生应力

因此

在长材料的时候呢

尽量使得衬底 势垒 势阱材料

让它的晶格常数

相匹配才好

所以横轴呢

给出了不同材料它的晶格常数

以1微米的材料来说呢

通常用的是

InGaAs刚才给出来的那个

经验公式

InGaAs就是根据

In的组份不同来调节它的禁带宽度

那后面的DBR层呢

一般用的是GaAs AIAs

而衬底一般用的是GaAs

这个图呢

给出来长得VECSEL

就是光泵半导体激光器

它的这个结构

底下是衬底层

上面是DBR层

就是反射镜层

再上面是量子阱层

最上边有一个帽层

所以看这个结构跟

前面讲过的那个SESAM的结构

基本上是一样的

只是它的参数不一样

生长工艺不一样

这个表呢

给出来几种常用的材料

它的禁带宽度

晶格常数以及对应的波长

这个就不再详细的讲了

那主要就是说SDL和

SESAM的区别就是生长温度不一样

SESAM要缺陷

而SDL不要缺陷

这是它的两个生长主要的问题

缺陷会造成什么呢

刚才说过了

缺陷会造成应变

举个例子

比方说这有两个材料

一个是

外延材料

一个是基质材料

它们两个晶格常数如果不匹配

有三种情况

中间这个是刚好

外延层和基质层

它们两个的晶格常数是相等的

它完全没有匹配的问题

两个材料摞起来晶格完全相等

但是如果这两个材料的晶格常数不一样

比方说像左边这个图a图

上面这些材料比下面的晶格常数呢要大

那当这两种材料长到一起的时候

上面的外延层它就会被压缩

所以这个就叫压应变

而右边的最右边这个图呢

是上面的外延层比基质材料的

它的晶格常数要小

那当它们两个长到一块儿的时候

它就被往开拉

就叫张应变

不管是压应变还是张应变

都是一个应变力

如果应变超过了它的极限

就会产生缺陷了

因此这也是

为什么用量子阱材料的原因

因为这个

长的量子阱那个层数是比较薄的

那薄的时候呢

它不太容易被拉断

如果这个材料比较厚

就很容易被拉断了

这个半导体的能带

在前面给出来的是一个经验公式

那如果想把它精确地来做计算

那就要看一下量子阱的

这个能带怎么来算

在量子力学中

处理半导体的结构呢

主要用的是薛定谔方程

下面这个是一个薛定谔方程

其中的h呢

是Hamiltiltonan算符

ψ是波函数

E是代表的是能量

当解这个方程的时候

如果是一个量子阱层的时候

E就变成了分立的能级呢

这个就是量子阱

在解这个方程当中呢

也是挺难解的

所以一般也有许多近似的解法

通常用得比较多的呢

叫能带近似理论

用能带近似理论来解

就是把半导体呢

给它设计成一个周期性的势场

就有点像晶体了

用周期性势场

就把能带方程

就近似成下面这个方程

解这个方程的时候呢

一般用的是半经验的kp方法

就可以把这个方程解出来

因此

在这个解的过程中

就一个是解能带

算一下这个材料

它的导带和价带变成了什么样

在这个条件下呢

这个是举了一个例子

这个给了三种势垒材料就是GaAs

这个GaAsP和AIGaAs

这三种材料做势垒层

如果量子阱层的用的是

InGaAs的话

看一下它的能带结构变成了什么样

会发现它的这个

导带仍然还是一个带

但是价带就分裂了

并且呢

越往后它分裂的次数是越多的

那根据这个

就可以求出来它的能带的值

禁带值

同时呢

可以算出量子阱的增益来

用这个增益公式

后面这个增益公式里头的

这些参数就跟能带的参数有关系

这个也不详细的讲

它的推导过程了

因为这个属于半导体里头的一些

基本的原理了

算出来增益介质的增益曲线

刚才说过了

发光区是InGaAs

然后给了三种不同的势垒层

一个是AIGaAs

一个是GaAsP

一个是GaAs

得出来三种不同的增益曲线

可以看到它还是有区别的

增益还是有区别的

并且呢

势垒还是有吸收的

就势垒层

因为当泵浦光进来之后

它必定要经过势垒层

所以势垒呢

是有一个吸收的大小

从这个图中也是比较的三个势垒层

并且这个组份也给出来了

那不同的势垒层呢

它的吸收系数也是不一样的

从这个图中最后分析了一下

最后得出结论来呢

说GaAsP作为势垒层

作为InGaAs的势垒层

是一个比较不错的选择

好

有了半导体的基本特性

包括它的增益特性

包括势垒的选择

就可以看一下半导体最后出光

它的这个材料组成了器件之后

这个器件放到谐振腔中

最后看一看它的出光特性

这个结构呢

是一个简单的光泵半导体激光器的结构

分为两个主要的部分

左边这个是芯片增益区

右边这个是外腔镜

这个是谐振腔

然后泵浦光呢

是从上面大概是以45度角斜入射泵浦

对于增益区

又分为

主要的两个功能区

一个就是量子阱区

tuantwawell

这是发光区

还有一个呢

就是DBR区

作为反射镜用的

反射镜后面有一个衬底区

就衬底才能衬底

是因为半导体层太薄了

一般大概是在三个微米左右厚度

所以它一定要有一个东西给它支撑着

所以给它找到一个

substrate衬底区

然后呢给它做散热

所以后面加一个热沉

这个时候呢

半导体芯片的发光有两个方式

一个是从侧面发光

就是从量子阱的侧边

侧边发光

叫边发射

还有一个呢

是从它的表面发射叫面发射

边发射就取决于长的这个材料的

量子阱和它的势垒区的这个特性

它其实就是材料的发光特性

而面发射呢

因为看到谐振腔里头

这个材料

就是半导体芯片

它有一个DBR层

表面还有一个叫做保护层

这个其实是形成了一个小的微腔

这个微腔因为这个层是比较薄

它的厚度是比较薄的

所以它也有点像etalon的那个效应

因此它也会对光波产生调制

因此呢

这个发光就是从面发光

除了跟边发光谱有关以外

还跟面发射的限制因子有关系

这张片子呢

先给了一个边发射的功率谱变化的规律

可以用上面那个公式来求

里头的自发辐射效率rsp

是等于后面这一堆

就跟刚才说的跟那个能带的结构

有关系

发射谱算出来以后呢

边发射谱算出来以后呢

给一个面发射谱

面发射谱就是刚才说的

在发射谱的基础上

再乘以一个纵向限制因子γ

纵向限制因子就是后面的值

它就是γ

主要取决于刚刚说的

那个小的微腔

DBR区和前面那个

那个保护区它们之间这么微腔的特性

其实就相当于是一个etalon的效应

这个效应呢

有两种方式

一种叫谐振结构

一种叫反谐振结构

对于反谐振结构来说呢

这个光谱是比较宽的

但是它有两个峰

这个就是给出来的

反谐振结构的增益芯片

它的这个面发射谱

左边的是实验测得的面发射谱

右边的是理论算出来的面发射谱

可以看到它们两个的

理论值和实验值还是比较吻合的

并且刚才说过了面发射谱第一个

它的发光效率是跟

材料的温度有关系的

所以也得了三种不同温度下

它的面发射谱

一个是12度

一个20度一个是28度

同样的

如果把这个材料设计成一个

谐振结构

它的发射谱就不一样了

这个发射谱呢

这是谐振结构的面发射谱

大家看到它其实是有一个主峰

面发射谱的优点是说

可以做一个高功率的输出

但是它的谱不够宽

所以做锁模

一般还是想要反谐振结构

同样的

这两个谱也是左边是实验的结构

右边的是理论计算出来的结构

刚才说过这个材料

它的发射的增益呢

是跟温度有关

当然也跟它上面的泵浦功率有关

所以这个图是给出来

不同的泵浦功率下

它的这个面发射谱

另外呢

这个量子阱

刚才说过

这个有源区主要是用的是量子阱

来发光的

这个量子阱到底有多厚

就是这个量子阱怎么设计它的尺寸

量子阱有多厚呢

如果因为是有应变的问题

量子阱不能太厚了

但是太薄了呢

它的增益又比较低

所以呢

从理论上先优化一下

给了一个量子阱

这个是单量子阱结构

它的增益和发光的关系

左边这个图呢是给了不同的增益的宽度

比方说

增益有7个纳米8个纳米呢

到11个纳米

发现从这个图中可以发现呢

就是刚才说的这个阱太窄了

就是增益不够

但是太宽了其实也未必好

所以最后呢给出了一个优化的值

就是在想要的这个实验

中涉及的量子阱的优化值呢

基本上是在八到十个纳米就是它的厚度

每一个量子阱的厚度是八到十个纳米

并且还跟量子阱的阱深有关

大家还记得

量子阱就是有一个

这两边是势垒材料

中间是这个发光材料

因为它们的能带结构不一样呢

使得这个两个势垒材料

中间夹的这个材料像一个深井一样

那个发光的增益大小呢

也跟阱深有关系

所以这个是跟阱深的一个优化参数

同时呢

还可以设计一个双量子阱结构

为什么要设计双量子阱结构

刚才说过了

要设计量子阱的位置

要在这个电场的谐振的峰值处

这个时候它的效率才最高

但是由于生长的误差或者是

其它的原因

这个量子阱有可能就会

不在设计的那个理想位置

这个时候可以设计一个双量子阱

确保有一个量子阱肯定是发光的

另外呢双量子阱

它的那个增益也会比单量子阱自己要高

因此设计了一个双量子阱的结构

双量子阱也看一下它的优化值

一个是它的增益到底有多少

就是量子阱的宽度

对于增益的影响

给出了一个优化值

右边这个图呢

也是给出来

就是两个量子阱之间的间隔

对于输出的增益也是有影响的

所以也给了一个优化值

那两个峰值就是取到的优化值

同时呢

也可以看一下三量子阱

是什么样的呢

从这个图中可以比较一下

从设计的这个左图中可以看到

其实目前来说双量子阱的增益的要

比三量子阱和单量子阱要高

并且它的限制因子

相对的来说也是一个比较综合的一个参数

所以

如果条件允许

如果生长条件允许

设计一个双量子阱也是不错的

有了增益

还有量子阱的厚度以及组份之后

就可以拿来做激光的实验了

但是在做激光的实验就会发现

随着泵浦功率的升高

通常来说小功率的时候呢

输出功率就会随着泵浦的功率增高

它也会增高

但是当功率增加到一定程度的时候

就不出光了

主要的原因是什么呢

是半导体材料过热

过热怎么办

就刚才说的要散热

散热有两种方式来散热

刚才说半导体芯片是很薄的

它底下有一个衬底层

衬底通常是比较厚的

前面的发光的量子阱的发光区是在前面

那发光也可以把前面加一个

散热装置

可以让它的发光也降了

热也降低

所以呢

理论上模拟了一下这两种方式

一个就是给了一下

看一下衬底的厚度

对于输出芯片它的影响

左边这个呢

是基质厚度为零

就是没有基质

把基质刻掉了

它的热分布图

右边的这个呢

是基质厚度为350个微米的时候

芯片的温度分布

比较一下这两个芯片

它的温度可以看到就是

基质虽然是350个微米

已经很薄了

但是依然还会导致芯片发热

所以就是

散热有

这个工艺上有几个步骤

就是如果能把这个基质刻掉

那最好就把基质刻掉

如何刻不掉呢

把基质磨薄

基质磨薄呢

就是越薄越好

还有呢

就是在前面贴一个金刚石

前面贴一个金刚石

也会使它的散热效率大大的提高

而且这样就不再详细的讲

它的散热计算的过程了

感兴趣的同学大家可以看相关的论文

这个是散热特性