半導體激光器.制造.封裝00

半導體激光器的制作工藝、封裝技術(shù)和可靠性目錄1.半導體材料選擇2.制作工藝概述3.DFB和VCSEL激光器芯片制造4.耦合封裝技術(shù)1.半導體激光器材料選擇半導體激光器材料主要選?、?Ⅴ族化合物（二元、三元或四元），大多為直接帶隙材料，發(fā)光器件的覆蓋波長范圍從0.4μm到10μm。GaAlAs/GaAs是應(yīng)用最普通的雙異質(zhì)結(jié)材料；與InP襯底匹配的GaInAsP四元合金用于1.31μm和1.55μm光電子器件最廣泛。常見的材料參數(shù)為：禁帶寬度、晶格常數(shù)、相對介電常數(shù)?；衔锇雽w激光器覆蓋的波長范圍及應(yīng)用半導體激光器的材料選擇1.能在所需的波長發(fā)光2.晶格常數(shù)與襯底匹配半導體LD的特點及與LED區(qū)別

特點：效率高、體積小、重量輕、可靠，結(jié)構(gòu)簡單；其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光。LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。半導體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用異質(zhì)結(jié)的高注入比2.制作工藝盡管各種半導體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，制作工藝存在很大的差別，但是基本工藝流程如圖所示：半導體激光器的設(shè)計基本要求:

在一定的輸出功率下電流最?。?/p>

輸出功率最大；

高的微分效率，小的遠場發(fā)散角。描述半導體激光器性能的三個主要參數(shù)：

輸出功率

轉(zhuǎn)換效率

可靠性2.1半導體激光器的工藝過程2.2外延生長技術(shù)

在一個單晶襯底上生長一層或多層同質(zhì)或異質(zhì)的半導體層的技術(shù)稱為外延生長技術(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的外延生長技術(shù)有三種：液相外延（LPE）有機金屬化合物化學氣相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）液相外延技術(shù)

LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶襯底上定向生長一層薄膜材料。例如，GaAs外延層就是從As飽和的Ga溶液中生長，As為溶質(zhì)，Ga為溶劑。常用的外延生長設(shè)備有：傾斜爐，垂直爐，多室水平爐。如圖，多室舟LPE生長系統(tǒng)裝置示意圖：有機金屬化合物化學氣相沉淀MOCVD技術(shù)是以有機金屬化合物和氫化物作為晶體生長的原材料進行化學氣相沉淀生長的晶體薄層技術(shù)。示意圖如下：例如以下反應(yīng)式：分子束外延

MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束射到加熱襯底上生長外延層的一種晶體生長技術(shù)。示意圖如下：幾種外延技術(shù)的比較：2.3腐蝕（光刻）工藝步驟以正型光刻膠為例：

利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面2.4芯片金屬化（歐姆接觸）

金屬化電極常采用蒸發(fā)或濺射的方法在n面或p面上覆蓋一層或多層金屬或合金，然后再適當?shù)臏囟认逻M行合金化，形成一個低阻的金屬—半導體結(jié)。歐姆接觸的好壞直接影響正向電阻的大小。正、反向電阻的的線性程度及熱阻的大小，從而影響激光器能否在室溫工作和連續(xù)激射，以及其壽命和可靠性。電極制作三個重要的因素：1.金屬必須充分的粘附。2.提供一個低電阻電接觸。3.激光器芯片中不能引入過大脅變。

2.5半導體激光器的解離解離技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸）后的外延片解離成單個芯片，并獲得平行發(fā)射腔面（即F—P腔）的技術(shù)。半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。如圖，用金剛石刀在具有金屬電極的外延片上沿解離面方向切劃，可得到完全平行的腔鏡面，再根據(jù)設(shè)計尺寸切劃出單個芯片。半導體激光器解離工藝示意圖2.6熱沉、燒焊、鍵合熱沉就是激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要部件。材料的選擇要求：導熱性好、不污染、與芯片物理性質(zhì)匹配、易加工、易燒焊、可靠等。目前使用的主要熱沉材料有：無氧銅、硅、金剛石、純銀等。燒焊就是將激光管芯焊接在熱沉上。目的：增加散熱能力，減小熱沉和管芯之間由于膨脹系數(shù)不同而造成的退化。燒焊方法：真空燒焊、惰性氣體保護燒焊、直接燒焊等。鍵合有三種方式：超聲焊、熱壓焊、用焊料直接焊。引線為直徑為30—60微米的金絲或幾十微米的金條。3.DFB-LD和VCSEL芯片制造3.1DFB-LD芯片制造1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕1光柵制作DFB-LD生長：1.低折射率層2.腐蝕停止層3.包層4.帽層：接觸層2二次外延生長DFB-LD一次光刻出雙溝圖形3一次光刻DFB-LD選擇性腐蝕到四元停止層4脊波導腐蝕DFB-LDPECVD生長SiO2自對準光刻SiO2腐蝕5套刻DFB-LD6三次光刻：電極圖形DFB-LDP面濺射TiPtAu減薄N面TiAu7歐姆接觸DFB-LD先解理成條端面鍍膜:

高反膜\增透膜

高反膜80-90%，增透膜5-10%端面鍍膜的作用:

1.增大出光功率，

2.減小閾值電流

8端面鍍膜3.2VCSEL芯片制造1一次光刻、干法或濕法腐蝕VCSEL芯片制造2濕氮氧化VCSEL芯片制造3PECVD生長SiO2，填充聚酰亞胺VCSEL芯片制造4歐姆接觸4.半導體LD耦合封裝技術(shù)

耦合是指半導體激光器的輸出光通過合適的方式進入光纖或其他光電子器件中，實現(xiàn)光的傳輸與應(yīng)用。半導體器件（如管殼、蓋板、管座、光纖與管殼之間）的封裝應(yīng)該是全金屬化焊接，不能采用膠接，而且保持良好的氣密性，使器件不受使用外部條件的影響，提高激光器的可靠性。（a）為雙列直插式結(jié)構(gòu)。(b)為同軸式結(jié)構(gòu)封裝。4.1半導體LD與光纖的耦合

半導體LD激光器輸出的激光發(fā)散角較大，垂直結(jié)面發(fā)散角為20—50度，平行結(jié)面發(fā)散角為5—10度。單模光纖的纖芯為4—12μm，多模光纖50—80μm。常用耦合效率來衡量，即耦合到光纖內(nèi)的光功率比發(fā)射總共率。LD與多模光纖直接耦合LD與多模光纖微透鏡耦合LD與多模/單模光纖圓錐形半球透鏡耦合光耦合透鏡系統(tǒng)

半導體LD的封裝是指通過電連接、光耦合、溫控、機械固定及密封等措施使半導體LD成為具有一定功能且性能穩(wěn)定的組件的裝配過程.激光器封裝的目的：⑴隔絕環(huán)境，避免損害，保證清潔；⑵為器件提供合適的外引線；⑶提高機械強度，抵抗惡劣環(huán)境；⑷提高光學性能；封裝器件的主要要求：⑴氣密性好，保證管芯與外界隔絕；⑵結(jié)構(gòu)牢固可靠，部件位置穩(wěn)定，經(jīng)受住各種環(huán)境；⑶熱性能好，化學性能穩(wěn)定，抗溫度循環(huán)沖擊；⑷可焊性好，工藝性好，有拉力強度；⑸符合標準，系列化，成本低，適合批量生產(chǎn)。4.2半導體LD封裝技術(shù)驅(qū)動電流對封裝技術(shù)的影響

一般情況下，半導體激光器的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm／℃，光譜寬度隨之增加。另外，當正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導體激光器的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1％左右。

以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導體激光器的驅(qū)動電流限制在20mA左右。但是，半導體激光器的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多大功率型半導體激光器的驅(qū)動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級。通過改進封裝結(jié)構(gòu)，可以增強半導體激光器內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。TO封裝技術(shù)

TO封裝，即TransistorOutline或者Through-hole封裝技術(shù)，原來是晶體管器件常用的封裝形式，在工業(yè)技術(shù)上比較成熟。TO封裝的寄生參數(shù)小、工藝簡單、成本低，使用靈活方便，因此這種結(jié)構(gòu)廣泛用于2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和組件的封裝。TO管殼內(nèi)部空間很小，而且只有四根引線，不可能安裝半導體致冷器。由于在封裝成本上的極大優(yōu)勢，封裝技術(shù)