半导体激光器制造封装00ppt课件

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-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0.4m到10m。 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1.31m和1.55m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。,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FP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3060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-LD,PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀,5套刻,DFB-LD,6三次光刻：电极图形,DFB-LD,P面溅射TiPtAu 减薄 N面 TiAu,7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,3.2 VCSEL 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,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2050度，平行结面发散角为510度。单模光纤的纤芯为412m，多模光纤5080m。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： 隔绝环境，避免损害，保证清洁； 为器件提供合适的外引线； 提高机械强度，抵抗恶劣环境； 提高光学性能； 封装器件的主要要求： 气密性好，保证管芯与外界隔绝； 结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境； 热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击； 可焊性好，工艺性好，有拉力强度； 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/s。 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。 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。,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,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。,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）。,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（25或50），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 25，激光器芯片交流阻抗大约 5，于是串联电阻等于 20。 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,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,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,微波封装设计,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。 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