半导体激光器.制造.封装00

半导体激光器的制作工艺、封装技术和可靠性目录1.半导体材料选择2.制作工艺概述3.DFB和VCSEL激光器芯片制造4.耦合封装技术1.半导体激光器材料选择半导体激光器材料主要选取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、三元或四元），大多为直接带隙材料，发光器件的覆盖波长范围从0.4μm到10μm。GaAlAs/GaAs是应用最普通的双异质结材料；与InP衬底匹配的GaInAsP四元合金用于1.31μm和1.55μm光电子器件最广泛。常见的材料参数为：禁带宽度、晶格常数、相对介电常数。化合物半导体激光器覆盖的波长范围及应用半导体激光器的材料选择1.能在所需的波长发光2.晶格常数与衬底匹配半导体LD的特点及与LED区别

特点：效率高、体积小、重量轻、可靠，结构简单；其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。

LD和LED的主要区别

LD发射的是受激辐射光。LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。半导体异质结异质结的作用：异质结对载流子的限制作用异质结对光场的限制作用异质结的高注入比2.制作工艺尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制作工艺存在很大的差别，但是基本工艺流程如图所示：半导体激光器的设计基本要求:

在一定的输出功率下电流最小；

输出功率最大；

高的微分效率，小的远场发散角。描述半导体激光器性能的三个主要参数：

输出功率

转换效率

可靠性2.1半导体激光器的工艺过程2.2外延生长技术

在一个单晶衬底上生长一层或多层同质或异质的半导体层的技术称为外延生长技术。目前应用最广泛的外延生长技术有三种：液相外延（LPE）有机金属化合物化学气相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）液相外延技术

LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶衬底上定向生长一层薄膜材料。例如，GaAs外延层就是从As饱和的Ga溶液中生长，As为溶质，Ga为溶剂。常用的外延生长设备有：倾斜炉，垂直炉，多室水平炉。如图，多室舟LPE生长系统装置示意图：有机金属化合物化学气相沉淀MOCVD技术是以有机金属化合物和氢化物作为晶体生长的原材料进行化学气相沉淀生长的晶体薄层技术。示意图如下：例如以下反应式：分子束外延

MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束射到加热衬底上生长外延层的一种晶体生长技术。示意图如下：几种外延技术的比较：2.3腐蚀（光刻）工艺步骤以正型光刻胶为例：

利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面2.4芯片金属化（欧姆接触）

金属化电极常采用蒸发或溅射的方法在n面或p面上覆盖一层或多层金属或合金，然后再适当的温度下进行合金化，形成一个低阻的金属—半导体结。欧姆接触的好坏直接影响正向电阻的大小。正、反向电阻的的线性程度及热阻的大小，从而影响激光器能否在室温工作和连续激射，以及其寿命和可靠性。电极制作三个重要的因素：1.金属必须充分的粘附。2.提供一个低电阻电接触。3.激光器芯片中不能引入过大胁变。

2.5半导体激光器的解离解离技术是将金属化（欧姆接触）后的外延片解离成单个芯片，并获得平行发射腔面（即F—P腔）的技术。半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。如图，用金刚石刀在具有金属电极的外延片上沿解离面方向切划，可得到完全平行的腔镜面，再根据设计尺寸切划出单个芯片。半导体激光器解离工艺示意图2.6热沉、烧焊、键合热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要部件。材料的选择要求：导热性好、不污染、与芯片物理性质匹配、易加工、易烧焊、可靠等。目前使用的主要热沉材料有：无氧铜、硅、金刚石、纯银等。烧焊就是将激光管芯焊接在热沉上。目的：增加散热能力，减小热沉和管芯之间由于膨胀系数不同而造成的退化。烧焊方法：真空烧焊、惰性气体保护烧焊、直接烧焊等。键合有三种方式：超声焊、热压焊、用焊料直接焊。引线为直径为30—60微米的金丝或几十微米的金条。3.DFB-LD和VCSEL芯片制造3.1DFB-LD芯片制造1.全息曝光2.干法或湿法刻蚀1光栅制作DFB-LD生长：1.低折射率层2.腐蚀停止层3.包层4.帽层：接触层2二次外延生长DFB-LD一次光刻出双沟图形3一次光刻DFB-LD选择性腐蚀到四元停止层4脊波导腐蚀DFB-LDPECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀5套刻DFB-LD6三次光刻：电极图形DFB-LDP面溅射TiPtAu减薄N面TiAu7欧姆接触DFB-LD先解理成条端面镀膜:

高反膜\增透膜

高反膜80-90%，增透膜5-10%端面镀膜的作用:

1.增大出光功率，

2.减小阈值电流

8端面镀膜3.2VCSEL芯片制造1一次光刻、干法或湿法腐蚀VCSEL芯片制造2湿氮氧化VCSEL芯片制造3PECVD生长SiO2，填充聚酰亚胺VCSEL芯片制造4欧姆接触4.半导体LD耦合封装技术

耦合是指半导体激光器的输出光通过合适的方式进入光纤或其他光电子器件中，实现光的传输与应用。半导体器件（如管壳、盖板、管座、光纤与管壳之间）的封装应该是全金属化焊接，不能采用胶接，而且保持良好的气密性，使器件不受使用外部条件的影响，提高激光器的可靠性。（a）为双列直插式结构。(b)为同轴式结构封装。4.1半导体LD与光纤的耦合

半导体LD激光器输出的激光发散角较大，垂直结面发散角为20—50度，平行结面发散角为5—10度。单模光纤的纤芯为4—12μm，多模光纤50—80μm。常用耦合效率来衡量，即耦合到光纤内的光功率比发射总共率。LD与多模光纤直接耦合LD与多模光纤微透镜耦合LD与多模/单模光纤圆锥形半球透镜耦合光耦合透镜系统

半导体LD的封装是指通过电连接、光耦合、温控、机械固定及密封等措施使半导体LD成为具有一定功能且性能稳定的组件的装配过程.激光器封装的目的：⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁；⑵为器件提供合适的外引线；⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境；⑷提高光学性能；封装器件的主要要求：⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝；⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度；⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。4.2半导体LD封装技术驱动电流对封装技术的影响

一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm／℃，光谱宽度随之增加。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右。

以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多大功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级。通过改进封装结构，可以增强半导体激光器内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。TO封装技术

TO封装，即TransistorOutline或者Through-hole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式，在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构广泛用于2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。TO管壳内部空间很小，而且只有四根引线，不可能安装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势，封装技术