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半導(dǎo)體激光器具有輸出波長(zhǎng)范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于集成等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、傳感、光學(xué)通訊、軍事和航空航天等領(lǐng)域。本文主要介紹了半導(dǎo)體激光器的封裝結(jié)構(gòu)及失效機(jī)理與典型案例分析及半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)。

 

一、封裝結(jié)構(gòu)

 

半導(dǎo)體激光器，即采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。其結(jié)構(gòu)以半導(dǎo)體PN 結(jié)為主要工作區(qū)，在正向偏壓下，通過向激光器的PN 結(jié)有源區(qū)注入載流子，引起有源區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，位于導(dǎo)帶的電子與價(jià)帶的空穴在有源區(qū)進(jìn)行復(fù)合，輻射出光子。半導(dǎo)體的兩端的解理面構(gòu)成光學(xué)諧振腔，提供光學(xué)反饋和控制輸出光的方向與頻率。

 

圖1  半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖

 

半導(dǎo)體激光器中的芯片主要通過薄膜沉積、勻膠顯影、金屬沉積、金屬刻蝕及去膠等步驟完成芯片的制作。

 

 

半導(dǎo)體激光器的封裝通常為全金屬化焊接的氣密性封裝結(jié)構(gòu)，保證器件良好的氣密性及高可靠。半導(dǎo)體激光器的封裝形式通常為TO（同軸）封裝、插拔式同軸封裝、窗口式同軸封裝、尾纖式同軸封裝、蝶式封裝、氣密小室封裝、子載體封裝等。

 

 

半導(dǎo)體激光器的封裝工藝流程參考表1。

 

 

二、失效機(jī)理與案例分析

 

半導(dǎo)體激光器失效模式主要表現(xiàn)為工作期間無(wú)輸出光強(qiáng)，或在恒定驅(qū)動(dòng)電流下輸出光功率退化失效，當(dāng)輸出功率退化至特定閾值，就會(huì)導(dǎo)致激光器失效。

 

可靠性研究分析中心是國(guó)內(nèi)最早專業(yè)從事電子元器件和各種電子產(chǎn)品失效分析技術(shù)研究和技術(shù)服務(wù)的權(quán)威機(jī)構(gòu)。在對(duì)半導(dǎo)體激光器開展的失效分析工作中，經(jīng)總結(jié)，半導(dǎo)體激光器的主要失效機(jī)理包括電極退化、歐姆接觸、腔面退化、環(huán)境污染等因素，失效機(jī)理介紹及相關(guān)案例如下文所示。

 

1）電極退化

 

電極退化通常發(fā)生在金屬與半導(dǎo)體材料的交界面，由于焊料材料擴(kuò)散進(jìn)半導(dǎo)體內(nèi)部形成缺陷結(jié)構(gòu)，大電流作用下導(dǎo)致缺陷位置熱量積累，最終燒毀附近的金屬化層[2]。

 

 

2）歐姆接觸

 

如果芯片和焊料存在較大的熱失配，激光器在焊接或工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引起焊料開裂或芯片裂損。此外，在焊接激光器時(shí)，芯片和焊料間存在焊接空隙會(huì)導(dǎo)致激光器發(fā)生失效，同時(shí)焊接中的焊料溢出也易導(dǎo)致PN結(jié)短路[2]。

 

 

3）腔面退化

 

腔面退化是激光器區(qū)別于其他微電子器件的一個(gè)失效模式。由于激光器有源區(qū)材料中含有Al或In元素，且當(dāng)芯片設(shè)計(jì)制造工藝均勻性或一致性較差時(shí)，Al、In元素在高功率工作下會(huì)發(fā)生融化或再結(jié)晶，導(dǎo)致腔面出現(xiàn)雜質(zhì)或缺陷，從而使該區(qū)域溫度不斷升高，端面的電流密度繼續(xù)增大導(dǎo)致該區(qū)域溫度進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致災(zāi)變光學(xué)損傷[2]。

 

4）環(huán)境污染

 

環(huán)境污染是導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器失效的外界因素，主要原因?yàn)榛覊m、水汽、離子污染物等顆粒進(jìn)入半導(dǎo)體激光器內(nèi)部，附著在芯片表面引起短路或開路，最終導(dǎo)致器件失效。

 

 

三、半導(dǎo)體激光器發(fā)展趨勢(shì)

 

許多新的應(yīng)用領(lǐng)域要求半導(dǎo)體激光器具有更高的輸出功率。增加輸出功率主要有兩種方式：

 

1）提高芯片生長(zhǎng)技術(shù)從而增加單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器輸出功率。

2）提陣列高半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元的個(gè)數(shù)從而提高輸出功率。為進(jìn)一步提高光輸出功率，提出了多種封裝技術(shù)，其中包括多單管模組、水平疊陣、垂直疊陣、面陣。

 

 

大功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)中，主要有三個(gè)趨勢(shì)[4]。

 

（1）無(wú)銦化：銦焊料是最常用的焊料之一。由于銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。通常采用金錫焊料封裝取代銦焊料封裝。

 

（2）高散熱：針對(duì)熱管理盡管已提出了多種散熱方式，例如金剛石傳導(dǎo)散熱和微通道散熱技術(shù)，如何提高散熱效率仍然是阻礙陣列半導(dǎo)體激光器高功率輸出的主要因素。熱應(yīng)力通常是由于陣列激光器和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導(dǎo)致。熱應(yīng)力不僅限制了用于封裝的襯底材料/熱沉的選擇，而且影響半導(dǎo)體激光bar的可靠性、光譜寬度和光束的“smile”效應(yīng)（各發(fā)射腔的近場(chǎng)非線性效應(yīng)）。為了減小熱應(yīng)力，目前通過采用高的熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)更加匹配的襯底/熱沉材料（無(wú)氧銅、純銀、金剛石、硅）。

 

（3）“無(wú)空洞”貼片技術(shù)：對(duì)于單陣列半導(dǎo)體激光器，由于陣列半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元產(chǎn)生的熱量相互干擾和整體散熱不均勻，導(dǎo)致器件性能穩(wěn)定性降低和限制功率上升；如果貼片層中存在空洞將明顯的影響陣列半導(dǎo)體激光的性能，包括輸出功率和可靠性等。現(xiàn)已有兩種降低貼片層中的空洞的方法：一種是在合理的控制環(huán)境溫度和壓力情況下使用貼片技術(shù)；另一種方法是真空回流技術(shù)。

 

四、結(jié)語(yǔ)

 

近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療、傳感、光學(xué)通訊、軍事和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，半導(dǎo)體激光器的種類和制造工藝也更加豐富多樣。本文通過針對(duì)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行分析，對(duì)主要失效機(jī)理、典型失效形貌進(jìn)行介紹，最后對(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)，期望能為從事半導(dǎo)體激光器研發(fā)、制造的技術(shù)人員提供幫助。

 

參考文獻(xiàn)

[1]半導(dǎo)體激光器封裝工藝與設(shè)備

[DB/OL].https://wenku.baidu.com/view/2f30fb32910ef12d2bf9e77a.html.

[2]    孫天宇,夏明俊,喬雷.半導(dǎo)體激光器失效機(jī)理與檢測(cè)分析研究進(jìn)展[J/OL].激光與光電子學(xué)進(jìn)展:1-19[2021-04-20].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.TN.20210311.1626.039.html.

[3]    高松信, 魏彬, 呂文強(qiáng), 等. 高功率二極管激光器失效特性研究[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2005, 17(S0):97-100.

[4]    劉興勝, 王警衛(wèi), 張恩濤,等. 大功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)[C]// 2009年先進(jìn)光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用研討會(huì). 0.