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半导体激光器 制造 封装

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半导体激光器封装技术及封装形式

半导体激光器封装技术及封装形式

半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。

常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。

激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用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。

半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

半导体激光器的封装技术一般情况下，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，影响颜色鲜艳度。

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，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，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，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。

例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。

7 3 半导体激光器封装

7 3 半导体激光器封装
电学中这种规律性就是欧姆定律：I U R
传热学中此规律演变为：
t R
半导体激光器的热阻
t R
Φ为有源区产生的热量： Φ=IV-Popt △t 是有源区与冷却介质之间的温度差 Ｒ为有源区与冷却介质之间的热阻，单位Ｋ／Ｗ
降低有源区到冷却介质之间的热阻是 半导体激光热控制的核心。
半导体激光单元器件
上节课回顾： 半导体激光器的制备流程；
半导体激光器的结构要求
机械稳定性； 电连接； 散热问题；
以每个发光单元2W，有源区尺寸 1um×100um计算，体发热密 度2×1010W/m3。 以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功率50W/bar， 腔长为1mm，热流密度为500W/cm2，电流密度1000A/cm2
10000
845 0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (µm)
10000
半导体激光器的热特性
阈值电流随有源区温度的指数增长； 电光转换效率随有源区温度的指数下降； 有源区温度增加器件寿命下降； 腔面温度升高非辐射复合导致ＣＯＤ问题。
有源区温度控制大功率半导体激光器 应用的核心问题。
1.2
1.0
10
20
30
40
50
60
Current (A)
Rth
t
热阻0.34K/W
计算结果与实验结果差异分析
Bar自身结构热阻； 焊接界面热阻； 微通道制备结构与理想结构差异。
背冷式微通道热沉
O
T e m p e r a t u rCe ) (
56
54
52
50 h2=2m m
48
h2=1m m

半导体激光器的封装老化方案设计

半导体激光器的封装老化方案设计

半导体激光器的封装老化方案设计一、为啥要搞封装老化方案呢？咱先得明白，半导体激光器就像个娇贵的小宝贝。

刚生产出来的时候啊，它可能有点小脾气，性能不太稳定呢。

所以咱们搞这个封装老化方案，就像是给它来个“军训”，让它在各种模拟的恶劣环境下待一待，这样以后在实际使用的时候，就能稳稳当当干活啦。

二、封装老化方案的前期准备。

1. 了解激光器的小脾气（特性）首先得把这个半导体激光器研究透透的。

知道它正常工作的时候功率是多少呀，波长在啥范围呀，对温度、湿度这些环境因素有多敏感。

就好比你要照顾一个小宠物，得先知道它爱吃啥，爱干啥，怕啥一样。

找那些技术规格书，和生产这个激光器的工程师好好唠唠，把这些关键的性能参数都搞清楚。

2. 准备老化的场地和设备。

场地呢，要选个干净、干燥又安全的地方。

不能让灰尘或者乱七八糟的东西干扰到咱们的激光器“军训”。

设备方面，得有电源供应装置，而且这个电源得能精确地控制电流和电压，就像一个严格的教官，给激光器恰到好处的能量供应。

温度控制设备也是必须的。

半导体激光器对温度很敏感，太热或者太冷都可能让它出乱子。

这个温度控制设备要能模拟出各种温度环境，从寒冷的冬天到炎热的夏天都能搞定。

还需要光功率检测设备，时刻盯着激光器的光输出功率有没有变化。

这就像是给激光器配了个健康监测员，一有风吹草动就能发现。

三、封装老化的具体方案。

1. 温度循环老化。

先把激光器放到一个温度可以变化的环境里。

比如说，从 -40℃慢慢升温到85℃，然后再慢慢降回 -40℃，这样循环个几十次。

就像让激光器坐过山车一样，一会儿冷一会儿热，在这个过程中，看看它的性能是不是还能保持稳定。

如果它能经受住这样的折腾，那以后在实际环境中遇到温度变化的时候，就不容易出故障啦。

在每个温度点，都要检测一下光功率、波长这些关键参数哦。

要是发现哪个参数突然变得不正常了，那就得好好研究研究，看看是激光器本身的问题，还是咱们这个老化方案哪里需要调整。

半导体激光芯片 封装原理

半导体激光芯片 封装原理

半导体激光芯片封装原理半导体激光芯片封装原理半导体激光芯片是一种重要的光电子器件，其封装是保护芯片并提供电气和光学连接的关键步骤。

封装技术的好坏直接影响着半导体激光芯片的性能和可靠性。

本文将从封装原理的角度来介绍半导体激光芯片封装的相关内容。

一、封装的目的和意义半导体激光芯片是一种微观的器件，需要封装来保护芯片免受外界环境的影响。

封装的主要目的有以下几点：1. 保护芯片：封装可以提供对芯片的物理保护，防止其受到机械应力、湿度、温度等因素的影响，从而确保芯片的长期可靠性。

2. 提供电气连接：封装不仅可以提供对芯片的电气保护，还可以通过引脚和线路将芯片与外部电路连接起来，实现信号的输入和输出。

3. 提供光学连接：半导体激光芯片通常需要与光纤或其他光学器件连接，封装可以提供对光学连接的保护和支持。

二、封装的基本原理半导体激光芯片封装的基本原理包括材料选择、封装结构设计和封装工艺控制。

1. 材料选择：封装材料应具有良好的热导性、机械强度和尺寸稳定性。

常用的封装材料有金属、陶瓷和塑料等。

不同的材料具有不同的特性，需根据具体要求选择合适的材料。

2. 封装结构设计：封装结构设计包括芯片定位、引脚布局和封装尺寸等。

合理的结构设计可以提高封装的稳定性和可靠性，减小电磁干扰和热阻。

3. 封装工艺控制：封装工艺控制是确保封装质量的关键。

包括焊接、封装密封、引脚连接等工艺步骤。

工艺参数的控制和优化可以提高封装的可靠性和一致性。

三、常见的封装方式半导体激光芯片的封装方式多种多样，常见的封装方式有以下几种：1. TO封装：TO（Transistor Outline）封装是一种常见的金属外壳封装方式，具有良好的散热性能和机械强度，适用于功率较大的激光芯片。

2. DIP封装：DIP（Dual In-line Package）封装是一种双列直插式封装方式，引脚通过插入PCB板上的孔进行连接，适用于低功率的激光芯片。

3. SMD封装：SMD（Surface Mount Device）封装是一种表面贴装封装方式，通过焊接引脚与PCB板的焊盘连接，具有体积小、重量轻、适应高密度集成等优点。

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TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole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/s。
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。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
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。
TO（同轴）封装
拔插式
窗口式
带尾纤式
插拔式同轴封装
插拔式封装结构示意图
窗口式同轴封装
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。
❖ 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
1. P面溅射TiPtAu 2. 减薄 3. N面 TiAu
DFB-LD
8端面镀膜
❖ 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
3.2 VCSEL 芯片制造
1 一次光刻、干法或湿法腐蚀
VCSEL 芯片制造
❖ 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。
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
4.2半导体LD封装技术
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；
14脚蝶型激光器的内部结构
❖ 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。
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。
2 湿氮氧化VCSEL 芯片造3 PECVD 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
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：
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：
衬底 外延技术 化学腐蚀
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。
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光栅制作
1.全息曝光 2.干法或湿 法刻蚀
DFB-LD
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。
❖ 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
❖ 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。
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。
(a)整体气密封装模块 (b)气密小室封装模块
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。
蝶式封装半导体激光器
14脚蝶式封装激光器结构
❖ 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。
❖ 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 20Ω。
窗口式TO封装激光器的内部结构
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
蝶式封装技术
❖ 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）。