单模激光二极管

1、单模半导体激光二极管（济南福来斯光电技术有限公司，）1 前言当前人类正进入信息和智能化的时代。以光电子、微电子为基础的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻地影响着国民经济、国防建设的各个领域，成为世界发达国家竞相发展的高新技术，其中以半导体激光二极管起着举足轻重的作用。2半导体激光器的制备工艺32，33半导体激光器的寿命与其制备工艺密切相关，每一步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。为研究其寿命和失效机理，首先应了解器件的制备工艺。尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制作工艺存在差别，但都大同小异。基本工艺应包括：衬底的选择和制备、外延生长、化学腐蚀、扩散、电极制作、解理或划片、装架制管、

2、老化筛选、封装耦合、终测等。2.1管芯制作工艺（前工艺）衬底是用于外延生长的基片。由于外延生长的质量明显地受衬底结晶质量的影响，因此要求衬底应该具备规定的晶向及一定的偏离范围；一定的厚度；适宜的掺杂浓度；表面光亮、平整、无划痕；内部基本无位错或是低位错。这就需要选择一定掺杂浓度的低腐蚀的单晶材料作衬底并对其进行精细抛光。外延生长就是在衬底片上生长多层的二元或多元化合物或合金（固溶体），以使其形成同质结或异质结。外延生长技术有液相外延（LPE）、气相外延(VPE)、有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等，它是决定器件性能、成品率和可靠性的关键工艺。化学腐蚀就是根据设计的

3、激光器结构和所用半导体材料来制备所需各种形状的重要工艺环节，选择适当的化学腐蚀液。腐蚀液的选择及腐蚀过程控制对器件的制备水平和可靠性有重要影响。扩散技术可以改变半导体材料的电学、光学性质，是半导体器件制造中采用十分普遍的通用工艺，占有重要地位。电极制作又称欧姆接触制备是制造半导体激光器中看来简单但十分重要的工艺。它的好坏不仅影响器件的电光转换效率，而且关系到器件工作的热状态，直接影响到器件的可靠性和寿命。解理技术是将金属化（欧姆接触制作）后的外延片解理成单个管芯，并获得平行反射腔面（即F-P腔）的一项技术。根据半导体晶体的特点，这些平行的端面容易用半导体晶体的解理面获得。用金刚石刀在具有金属电

4、极的外延片上沿解理面方向切划，即可得到完全平行的腔镜面，最后再金刚石刀或线锯垂直于镜面切割出所设计尺寸的单个芯片。半导体激光器的腔面质量对器件的性能和可靠性都有很大影响。2.2半导体激光器的后工艺半导体激光器的后工艺主要包括选择热沉、烧焊、键合、耦合和封装等。热沉的选择激光器工作时要发热，为了使其能够维持稳定的输出，必须散热，而热沉就是用于激光器工作时产生热量消散的主要零部件。因此为了达到良好的散热目的，必须对热沉材料进行选择。一方面，热沉材料应是热良导体、不污染且与激光器管芯的物理性质相匹配，主要是热膨胀系数应相同或接近；另一方面，还应具有易于加工和与激光器管芯烧焊容易、可靠等特点。目前使用

5、的热沉材料主要有无氧铜、硅、金刚石、纯银等。其中铜和硅用得较多。烧焊及其焊料烧焊就是将管芯焊接在热沉上。目的是增加散热能力，减少热沉和管芯之间由于热膨胀系数不同而造成的退化。烧焊方法很多，主要应根据焊料性质（如熔点、是否易氧化）及工艺要求而定。包括真空烧焊、惰性气体保护烧焊以及直接烧焊等。不论何种方式都要求作到不能破坏解理面，温度不能过高以及均匀沾润等。焊料主要有纯In、纯Sn、Au-Sn或Au-Ge易熔合金，也有采用Pb-Sn（含Pb40%）合金的。键合键合是将50m左右的金丝或几十m宽的金箔带用超声焊或热压焊，或两者兼有的方法将电极连接到管芯上，以作电流注入的引线。焊点要牢固，但不能加压太

6、厉害，否则在管芯内会产生微损伤。耦合与封装半导体激光器发散角大，直接使用不方便，因此需要将其光束耦合到光纤或经过透镜压缩光斑后使用，这样的工艺过程成为耦合过程。由于光纤很细，光束在垂直和平行方向上又不对称，因此为了保证耦合效率，需要研究耦合问题，包括研究光纤断面的形状、光纤与激光器间的距离、高精度的耦合机械调整装置等等。封装的种类很多，但目前国内外主要有蝶型(BTF)、TO、双列直插和同轴型等。结构是有光纤耦合输出和光窗输出两种。某些情况下，管壳内还装有温控、光控以及半导体制冷器（TEC），有的还装有驱动电路。不论何种封装形式，都是围绕提高器件可靠性这个核心。因此器件的封装应该是全金属化的。即

7、管壳、盖板与管座，光纤与管壳之间应该是全金属化焊接，而不能采用胶接。此外还必须保持良好的气密性。这样器件不受环境影响，从而达到提高激光器可靠性的目的。另外，管壳的散热情况，即其热阻对器件的工作条件和可靠性影响很大。要尽可能降低管壳的热阻，因为热是半导体激光器加速退化的主要因素。3半导体激光器可靠性测试标准综述21,34光电子器件的可靠性问题一直是通信业一个十分关心的问题。1990年美国BELLCORE发表了TA-NWT-000983（光纤环路应用光电子器件的可靠性保证规程）技术报告，规定了保证通信用光电器件的最低要求。1998年12月经修改后，又发表了GR-468-CORE代替TA-NWT-0

8、00983，下面简要叙述一下对半导体激光器的要求。3.1半导体激光器质量保证方案激光器从芯片衬底开始，直至制作出激光器，每步工艺都贯穿着质量控制（QC），图1-1和1-2分别是二极管芯片和组件质量保证的流程方案。衬底检查和准备QC检查：位错取向表面厚度F-P型QC检查：周期和深度衍射效率QC检查：腔面质量腔 长100%样品试验芯片切割100%芯片视觉检查外延生长QC检查：外延厚度晶体缺陷和表面形态晶片制作和金属化QC检查：条宽和调准腔面的形成光学和电学测量记录功率老化1（ACC）评估（参数变化）功率老化2（APC）评估最后芯片测试DFB型A光学验收试验图1-1激光二极管质量保证方案流程组 装1

9、00%内部目检光学和电学测量记录功率老化1（ACC）评估（参数变化）LD载体、TEC和热敏电阻组装光纤耦合组装100%内部目检管帽烘烤管壳封焊100%气密性检查（粗检和细检）光学和电学测量记录100%监视PD的HTRB试验评估批验收试验键合强度管芯剪切强度100%温度循环光纤拉力测量评估光学和电学测量记录功率老化1（ACC）评估（参数变化）A族试验100%目检和机械检查包装发货A测定末期 QC要素图1-2 半导体激光器组件质量保证方案流程3.2半导体激光器可靠性试验根据激光器的封装状态不同可靠性实验要求内容不同，如激光二极管（芯片）主要是耐久实验，而激光器组件则包括机械（物理）试验和耐久性试验

10、，详实项目要求、参考标准如表1-1和表1-2所示。表1-1激光二极管可靠性实验项目试验参考条件抽样环境LTPDSSCCORT/UNC加速老化BELLCORE标准5.1885；额定功率5,000h10,000h2510RO70；额定功率5,000h10R温度循环MIL-STD-883方法-40/7050循环20110O-40/8550循环20110O注意:（1）可靠性实验样品应该是通过老化筛选后的器件，老化筛选的方法我们将再第三章叙述。（2）LTPD用%表示，表示批容许不合格率；SS表示最小可接收样品数；C表示允许的失效数目。（3）R表示“应该”或“必须”，O表示目标，表示没有要求。CO（Cen

11、tral Office Environment）中心办公环境，RT(Remote Terminal Environment)远程终端环境，UNC(Uncontrolled Environment)为非控环境。（4）加速老化中25只有10只保持10,000小时。（5）加速老化试验条件可根据Arrhenius关系改变，激活能Ea可以算出，要大于0.7ev。（6）可靠性测试前、后必须进行电性能及光性能测试，以便监视激光二极管的特性变化或管芯退化。可靠性试验通过/失效判断至少应包括（1）光谱变化，（2）P-I曲线及其一次微分的变化。（7）加速老化试验是在升高的温度下进行，耐久试验的目的是论证器件的长期

12、可靠性，所以不需要规定允许失效数，但应提供测试样品外推预测寿命的分布曲线。一般在自动功率控制（APC）下完成，某些情况也可以在ACC（自动电流控制）下完成，应定期地测量驱动电流和阈值电流，并对比所定义的寿命终止判据来检查。（8）寿命终止的判据是初始输出光功率下降50%或额定输出光功率下的驱动电流增加50%。对于阈值低于20mA的低阈值激光器50%的阈值增加可能太苛刻，通常以10mA作为寿命终止的判据。表1-2激光器组件可靠性实验项目试验参考条件抽样环境LTPDSSCCORT/UNC热冲击MIL-STD-883方法1011T=100010020110RR高温存贮最大储存温度2,000h20110

13、RR低温存贮最低储存温度2,000h20110OO加速老化（高温）BELLCORE标准5.1885；额定功率5,000h10,000h2510RO70；额定功率2,000h5,000h10RO温度循环MIL-STD-883方法1010-40/70100次通过/失效500次获得信息2011110RR-40/85500次通过/失效1000次获得信息2011110RR湿热试验MIL-STD-202方法103或IEC68-2-385，85%相对湿度，1,000h或50，85%相对湿度,3,500h20110RR抗潮湿循环BELLCORE标准5.2320110RESD阈值6RR注意：（1）热冲击只对密封

14、件而言。（2）加速寿命测试是指器件周围环境温度，可以在盒子里或一个小的密封空间，如果组件有TEC，应出于正常的开启状态。为了加速老化，可将高温和高驱动电流（或高输出电流）等应力同时加在器件上。对加速老化实验没有规定失效数目，但应有测试样品外推预测寿命的分布曲线。寿命终止的判据应是应用系统的最低限度要求。实验中增加寿命测试的器件数和测试时间，增加寿命测试器件小时数将得到更准确的随机失效率。寿命测试结束后，所有好的器件都要测试参数变化（光谱，L-I等），确定随机失效和磨损失效。（3）供应商必须提供温度循环试验结果，包括对为获取信息而围绕规定数量的组件进行的失效分析。加偏置或不加偏置均可接受。（4）

15、温度循环实验用来验证激光器组件光学准直的长期机械稳定性。通过和失效判据是耦合效率最大变化10%或0.5dB，且阈值电流无明显变化。实验时，温度步长（ramp rate）10/分；带尾纤的组件，光纤要连接到光学连接器上；如果是有偏（加电）温度循环，热电制冷器应工作。（5）高温和低温存贮实验通过和失效判据是耦合效率最大变化10%或0.5dB，且阈值电流无明显变化。（6）湿热实验通过和失效判据是耦合效率最大变化10%或0.5dB，且阈值电流无明显变化。尾纤的损坏也应包含在内。（7）抗潮湿实验通过和失效判据是耦合效率最大变化10%或0.5dB，且阈值电流无明显变化。4 可靠性概念35-384.1可靠性

16、可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。包括应力、温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件；规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离等，例如应力循环次数、汽车行驶里程； 规定功能：要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则

17、很难判定；能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。按产品可靠性的形成，可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。4.2可靠度可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R。它是时间的函数，故也记为R(t),称为可

18、靠度函数。如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为f(t)，若用t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度 (1-1)对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即 (1-2)N开始投入工作产品数；Na(t)到t时刻完成规定功能产品数，即残存数；Nf(t)到t时刻未完成规定功能产品数，即失效数。4.3可靠寿命、中位寿命和平均寿命可靠寿命T R表示一批产品的可靠度R(t)下降到r时，所经历工作时间。T R的值可由R(T R)=r求解。假如该产品的失效分布输入指数分布规律，则 (1-3)

19、其中为失效率，由(1-3)可求得TR如下TR (1-4)4.3.2中位寿命T0.5表示一批产品的可靠度R(t) 下降到50时的可靠寿命，即： (1-5)对于指数分布情况，可得 (1-6)即总共有N个器件有N/2个器件寿命终结时对应的时间。4.3.3平均寿命表示一批产品寿命的平均值。常用缩写MTTF（Mean Time to Failure）表示。从数理统计的观点来看，它是寿命的数学期望值。如果已知失效分布密度f(t)，则可得到总体平均寿命的表达式 (1-7)假如被检的半导体激光器产品的失效分布规律服从指数分布，即F(t)=1，则f(t)=F(t)= (1-8)平均寿命可表示为 (1-9)当产品

20、失效属于指数分布的情况，其平均寿命与失效率之间为倒数关系。对于一批器件寿命的平均值，如有N个器件，它们的寿命平均值也可以表示为L平均 (1-10)其中ti是第i个器件的寿命。5 半导体激光器/半导体激光二极管列表济南福来斯常用激光二极管：型号波长连续功率/mW封装形式模式FLD405-4040540TO18单模FLD405-130405130TO18多模FLD635-1063510TO18单模FLD635-3063530TO18单模FLD635-500635500TO3/C多模FLD650-1065010TO18单模FLD650-3065030TO18单模FLD650-5065050TO18单

21、模FLD650-100650100TO18多模FLD660-200660200TO18多模FLD660-300660300TO3/C多模FLD660-500660500TO3/C多模FLD660-10006601000TO3/C多模FLD780-100780100TO18单模FLD780-150780150TO18单模FLD780-150780150TO18单模FLD780-20007802000TO3/C多模FLD808-5080850TO18单模FLD808-100808100TO18单模FLD808-200808200TO18多模FLD808-300808300TO18多模FLD808-5008085