半导体激光器.制造.封装文档资料.ppt

半导体激光器的制作工艺、半导体激光器的制作工艺、封装技术和可靠性封装技术和可靠性1 1目录目录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2 21.半导体激光器材料选择半导体激光器材料选择v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10μmvGaAlAs/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v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化合物半导体激光器覆盖的波长范围及应用3 3半导体激光器的材料选择1.能在所需的能在所需的波长发光波长发光2.晶格常数与晶格常数与衬底匹配衬底匹配4 4半导体半导体LDLD的特点的特点及与及与LEDLED区别区别 特特点点：：效效率率高高、、体体积积小小、、重重量量轻轻、、可可靠靠，，结结构构简简单单；；其其缺缺点点是是输输出出功功率率较较小小。

目目前前半半导导体体激激光光器器可选择的波长主要局限在红光和红外区域可选择的波长主要局限在红光和红外区域 LD LD LD LD 和和和和LEDLEDLEDLED的主要区别的主要区别的主要区别的主要区别 L 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5 5半导体异质结半导体异质结v异质结的作用：异质结的作用：v异质结对载流子的限制作用异质结对载流子的限制作用v异质结对光场的限制作用异质结对光场的限制作用v异质结的高注入比异质结的高注入比6 62.制作工艺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描述半导体激光器半导体激光器性能的三个主要参数性能的三个主要参数：： 输出功率 转换效率 可靠性7 72.1半导体激光器的工艺过程半导体激光器的工艺过程8 82.2外延生长技术外延生长技术 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）9 9液相外延技术液相外延技术v 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v 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：1010有机金属化合物化学气相沉淀有机金属化合物化学气相沉淀vMOCVD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：1111分子束外延分子束外延 vMBE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：1212几种外延技术的比较：几种外延技术的比较：13132.3腐蚀（光刻）工艺步骤腐蚀（光刻）工艺步骤以正型光刻胶为例：以正型光刻胶为例：1414 利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面15152.4芯片金属化（欧姆接触）芯片金属化（欧姆接触）v v 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。

v 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v 电极制作三个重要的因素：v1.金属必须充分的粘附v2.提供一个低电阻电接触v3.激光器芯片中不能引入过大胁变v 16162.5半导体激光器的解离半导体激光器的解离v 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v 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v 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17172.6热沉、烧焊、键合热沉、烧焊、键合v热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要部件v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v目前使用的主要热沉材料有：无氧铜、硅、金刚石、纯银等v烧焊就是将激光管芯焊接在热沉上v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v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18183. DFB-LD和和VCSEL芯片制造芯片制造19193.1DFB-LD芯片制造1.全息曝光2.干法或湿法刻蚀1光栅制作光栅制作2020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2121DFB-LDv一次光刻出双一次光刻出双沟图形沟图形3一次光刻2222DFB-LD选择性腐蚀到四元停止层 4脊波导腐蚀脊波导腐蚀2323DFB-LDPECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀5套刻2424DFB-LD6三次光刻：电极图形2525DFB-LD1.P面溅射TiPtAu2.减薄3.N面 TiAu7欧姆接触欧姆接触2626DFB-LDv先解理成条先解理成条v端面镀膜端面镀膜: 高反膜高反膜\增透膜增透膜 高反膜高反膜80-90%，增透膜，增透膜5-10% 端面镀膜的作用端面镀膜的作用: 1.增大出光功率，增大出光功率， 2.减小阈值电流减小阈值电流 8端面镀膜端面镀膜27273.2 VCSEL 芯片制造芯片制造1 一次光刻、干法或湿法腐蚀一次光刻、干法或湿法腐蚀2828VCSEL 芯片制造芯片制造2 湿氮氧化湿氮氧化2929VCSEL 芯片制造芯片制造3 PECVD 生长生长 SiO2，， 填充聚酰亚胺填充聚酰亚胺 3030VCSEL 芯片制造芯片制造4 欧姆接触欧姆接触3131 4. 半导体半导体LD耦合封装技术耦合封装技术v 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。

v 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32324.1 半导体半导体LD与光纤的耦合与光纤的耦合 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3333光耦合透镜系统光耦合透镜系统3434 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半导体半导体LD封装技术封装技术3535驱动电流对封装技术的影响驱动电流对封装技术的影响v 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v 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v 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3636TO封装技术封装技术v TO封装，即Transistor Outline 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，封装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达到 10Gb/sv TO管壳所用材料主要为不锈钢或可阀整个结构由 TO管座、内套、透镜座、外套以及内部光学系统组成，结构上下部有一致的同心度v 根据与外部的光学连接方式，TO封装可以分为插拔式封装(pluggable)、窗口式封装(window-can)和带尾纤(pigtailed)的全金属化耦合封装等三种形式3737TOTO（（同轴同轴））封装封装 拔插式 窗口式 带尾纤式 3838插拔式同轴封装插拔式同轴封装插拔式封装结构示意图3939窗口式同轴封装窗口式同轴封装窗口式TO封装激光器的内部结构 激光器芯片是烧焊在载体上，激光器发出的光经过透镜聚焦，投射到外面的光接收器件激光器通过金丝连接在两个管脚上调制信号和偏置电流都通过这两个管脚管座上的探测器监测激光器的工作状况探测器可接收到激光器背面发出的光，产生光电流当激光器的发光强度随着外界环境的变化而产生变化时，那么探测器产生的光电流也会变化。

通过外电路的负反馈作用，控制激光器的偏置电流，使得激光器工作状态稳定探测器用金丝与另外两个管脚相连4040尾纤式同轴封装尾纤式同轴封装（a）刨面示意图 （b）外观图 带尾纤的拔插式封装图4141蝶式封装技术蝶式封装技术v 蝶式封装用于高速率、长距离的传输系统，如果采用直接调制式的 DFB 激光器作为光源，必须使用热敏电阻和致冷器组成的温控电路来保证激光器工作在比较稳定的温度和状态下TO管壳因为内部空间和管脚数目的限制，难以满足DFB 激光器的封装需要，而体积稍大一些、带致冷器的蝶型管壳就成为了理想的选择传统的蝶型管壳共有 14条管脚引线，整个外形近似于蝴蝶，因此被称之为蝶式封装（butterfly）蝶式封装半导体激光器424214脚蝶式封装激光器结构脚蝶式封装激光器结构v 与TO管壳相比，蝶型管壳主要还引入了热敏电阻和致冷器，热敏电阻紧贴激光器芯片放置，实时监测激光器芯片的温度，然后反馈给外电路控制芯片；驱动致冷器工作来调节激光器温度，使之保持在一个恒定的范围内。

v 此外根据光发射模块中不同激光器驱动芯片的输出阻抗（25Ω或50Ω），在激光器芯片的交流回路中需要串联一个电阻来实现阻抗匹配，如图中驱动芯片输出阻抗 25Ω，激光器芯片交流阻抗大约 5Ω，于是串联电阻等于 20Ωv 还有在激光器芯片的直流偏置回路中需要串联一高频电感，其理想作用是对偏置电流短路而对交流调制信号开路，隔离直流偏置支路对交流回路的影响14脚蝶型激光器的内部结构 4343气密小室封装激光器气密小室封装激光器 通常激光器的光电子芯片需要在氮气保护环境下工作，因此无论哪种封装形式都必须考虑气密性对于某些特殊用途的模块，封装管壳结构不规则，外形尺寸比较大，模块内部往往包含有其它功能的芯片和电路 如图 (a)所示，如果对模块进行整体气密封装（黑色区域），光电子芯片和电子芯片都在其中，存在相互干扰和影响，气密工艺复杂而且成本较高但是如果将 如图 (b)所示，如果对核心部分（即光电子芯片）用气密小室封装技术实现局部气密封装（黑色区域），其它电子芯片采用非气密封装，这样就可以大大降低气密的难度，提高模块的气密可靠性 (a)整体气密封装模块(b)气密小室封装模块4444子载体封装激光器子载体封装激光器 通常模块内部的电路和芯片中只有部分具有高频要求，其它控制电路都工作在较低的频率，而且激光器需要考虑散热问题，因此没有必要将整个电路都制备在绝缘性能和导热性能好的高频基片上。

采用子载体封装激光器可以有效的降低成本：1.减少基片材料使用；2.降低由于采用特殊制备工艺，引起的电路制备成本；3.降低在基片材料上制备多层电路，导致的模块成本 有的光转发器采用该技术方案，速率为 10Gb/s的电路制备在绝缘性能高和导热性能好的介质基片上，速率为 622Mb/s的电路和控制电路采用常规FR4 多层电路制备技术子载体封装激光器 4545微波封装设计微波封装设计v微波设计主要用于长距离，高速率调制的半导体LD及光电子器件封装过程中v微波封装技术解决的两个问题：1.高阻（50欧姆）器件严重的的阻抗失配；2.电连接光电子芯片时存在严重的模场失配 主要的研究对象及功能：1.载体除了导热功能外，还需在表面上制作电路结构2.金丝功能是与外部电路进行电连接，为降低电感，越短越好3.传输线相比金丝具有反射小、损耗低和可靠性高的优势，用于封装中较长距离的电连接，管壳内部和外部过渡部分同样是一段传输线连接4.匹配电路是针对特定芯片的性能进行灵活设计的，有多重方案5.偏置网络的核心部件是电感器，为激光器芯片提供直流偏置，隔绝外部高频噪声的进入和内部交流信号的外泄4646thanks for your attention!4747。