半导体激光器.制造.封装00

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1、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

2、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。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

3、：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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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