1、 半導體激光器的制造工藝、封裝技術和半導體激光器的制造工藝、封裝技術和可靠性可靠性目錄目錄1.半導體資料選擇2.制造工藝概述3.DFB和VCSEL激光器芯片制造4.耦合封裝技術1.半導體激光器資料選擇半導體激光器資料選擇v 半導體激光器資料主要選取-族化合物二元、三元或四元，大多為直接帶隙資料，發光器件的覆蓋波長范圍從0.4m到10m。v /GaAs是運用最普通的雙異質結資料；與InP襯底匹配的四元合金用于1.31m和1.55m光電子器件最廣泛。v 常見的資料參數為：禁帶寬度、晶格常數、相對介電常數?；衔锇雽w激光器覆蓋的波長范圍及運用化合物半導體激光器覆蓋的波長范
2、圍及運用半導體激光器的資料選擇1.能在所需的能在所需的波長發光波長發光2.晶格常數與晶格常數與襯底匹配襯底匹配半導體半導體LDLD的特點及與的特點及與區別區別 2.1半導體激光器的工藝過程半導體激光器的工藝過程2.2外延生長技術外延生長技術 在一個單晶襯底上生長一層或多層同質或異質的半在一個單晶襯底上生長一層或多層同質或異質的半導體層的技術稱為外延生長技術。導體層的技術稱為外延生長技術。 目前運用最廣泛的外延生長技術有三種：目前運用最廣泛的外延生長技術有三種： 液相外延液相外延LPE 有機金屬化合物化學氣相沉淀有機金屬化合物化學氣相沉淀MOCVD 分子束外延分子束外延MBE液相外延
3、技術液相外延技術v LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶襯底上定向生長一層薄膜資料。例如，GaAs外延層就是從As飽和的Ga溶液中生長，As為溶質，Ga為溶劑。v 常用的外延生長設備有：傾斜爐，垂直爐，多室程度爐。如圖，多室舟LPE生長系統安裝表示圖：有機金屬化合物化學氣相沉淀有機金屬化合物化學氣相沉淀v MOCVD技術是以有機金屬化合物和氫化物作為晶體生長的原資料進展化學氣相沉淀生長的晶體薄層技術。表示圖如下：例如以下反響式：分子束外延分子束外延 MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束射到加熱襯底上生長外延層的一種晶體生長技術。表示圖如下：幾種外延技術的比較：幾種外延技術的比較：2
4、.3腐蝕光刻工藝步驟腐蝕光刻工藝步驟以正型光刻膠為例： 利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面2.4芯片金屬化歐姆接觸芯片金屬化歐姆接觸v v 金屬化電極常采用蒸發或濺射的方法在n面或p面上覆蓋一層或多層金屬或合金，然后再適當的溫度下進展合金化，構成一個低阻的金屬半導體結。v 歐姆接觸的好壞直接影響正向電阻的大小。正、反向電阻的的線性程度及熱阻的大小，從而影響激光器能否在室溫任務和延續激射，以及其壽命和可靠性。v 電極制造三個重要的要素：v1.金屬必需充分的粘附。v2.提供一個低電阻電接觸。v3.激光器芯片中不能引入過大脅變。v 2.5半導體激
5、光器的解離半導體激光器的解離v 解離技術是將金屬化歐姆接觸后的外延片解離成單個芯片，并獲得平行發射腔面即FP腔的技術。v 半導體晶體的解理面構成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反響、產生光的輻射放大，輸出激光。v 如圖，用金剛石刀在具有金屬電極的外延片上沿解離面方向切劃，可得到完全平行的腔鏡面，再根據設計尺寸切劃出單個芯片。半導體激光器解離工藝表示圖2.6熱沉、燒焊、鍵合熱沉、燒焊、鍵合v 熱沉就是激光器任務時產生熱量散失的主要部件。v 資料的選擇要求：導熱性好、不污染、與芯片物理性質匹配、易加工、易燒焊、可靠等。v 目前運用的主要熱沉資料有：無氧銅、硅、金剛石、純銀等。v
6、燒焊就是將激光管芯焊接在熱沉上。v 目的：添加散熱才干，減小熱沉和管芯之間由于膨脹系數不同而呵斥的退化。燒焊方法：真空燒焊、惰性氣體維護燒焊、直接燒焊等。v 鍵合有三種方式：超聲焊、熱壓焊、用焊料直接焊。引線為直徑為3060微米的金絲或幾十微米的金條。3. DFB-LD和和VCSEL芯片制造芯片制造3.1DFB-LD芯片制造1.全息曝光2.干法或濕法刻蝕1光柵制造光柵制造DFB-LD生長：1.低折射率層2.腐蝕停頓層3.包層4.帽層：接觸層2二次外延生長DFB-LDv 一次光刻出雙一次光刻出雙溝圖形溝圖形3一次光刻DFB-LD選擇性腐蝕到四元停頓層 4脊波導腐蝕脊波導腐蝕DFB-
7、生長SiO2自對準光刻SiO2腐蝕5套刻DFB-LD6三次光刻：電極圖形DFB-LDP面濺射減薄N面 TiAu7歐姆接觸歐姆接觸DFB-LDv 先解理成條先解理成條v 端面鍍膜端面鍍膜:v 高反膜高反膜增透膜增透膜v 高反膜高反膜80-90%，增透膜，增透膜5-10%v 端面鍍膜的作用端面鍍膜的作用:v 1.增大出光功率，增大出光功率，v 2.減小閾值電流減小閾值電流v 8端面鍍膜端面鍍膜3.2 VCSEL 芯片制造芯片制造1 一次光刻、干法或濕法腐蝕一次光刻、干法或濕法腐蝕VCSEL 芯片制造芯片制造2 濕氮氧化VCSEL 芯片制造芯片制造3 PECVD 生長 SiO2， 填充聚
8、酰亞胺 VCSEL 芯片制造芯片制造4 歐姆接觸 4. 半導體半導體LD耦合封裝技術耦合封裝技術v 耦合是指半導體激光器的輸出光經過適宜的方式進入光纖或其他光電子器件中，實現光的傳輸與運用。v 半導體器件如管殼、蓋板、管座、光纖與管殼之間的封裝應該是全金屬化焊接半導體激光器封裝技術，不能采用膠接，而且堅持良好的氣密性，使器件不受運用外部條件的影響，提高激光器的可靠性。 a為雙列直插式構造。(b) 為同軸式構造封裝。4.1 半導體半導體LD與光纖的耦合與光纖的耦合 半導體LD激光器輸出的激光發散角較大，垂直結面發散角為2050度，平行結面發散角為510度。單模光纖的纖芯為412m，多模光纖5080m。常用耦合效率來
9、衡量，即耦合到光纖內的光功率比發射總共率。LD與多模光纖直接耦合LD與多模光纖微透鏡耦合LD與多模/單模光纖圓錐形半球透鏡耦合光耦合透鏡系統光耦合透鏡系統 半導體LD的封裝是指經過電銜接、光耦合、溫控、機械固定及密封等措施使半導體LD成為具有一定功能且性能穩定的組件的裝配過程.激光器封裝的目的： 隔絕環境，防止損害，保證清潔； 為器件提供適宜的外引線； 提高機械強度，抵抗惡劣環境； 提高光學性能；封裝器件的主要要求： 氣密性好，保證管芯與外界隔絕； 構造結實可靠，部件位置穩定，經受住各種環境； 熱性能好，化學性能穩定半導體激光器封裝技術，抗溫度循環沖擊； 可焊性好，工藝性好，有拉力強度； 符合規范，系列化，本錢低
10、，適宜批量消費。4.2半導體半導體LD封裝技術封裝技術驅動電流對封裝技術的影響驅動電流對封裝技術的影響v 普通情況下，半導體激光器的發光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm，光譜寬度隨之添加。另外，當正向電流流經pn結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1，半導體激光器的發光強度會相應地減少1左右。v 以往多采用減少其驅動電流的方法，降低結溫，多數半導體激光器的驅動電流限制在20mA左右。但是，半導體激光器的光輸出會隨電流的增大而添加，目前，很多大功率型半導體激光器的驅動電流可以到達70mA、100mA甚至1A級。v 經過改良封裝構造，可以加強半導體激光器內部產生光子出射的幾率，提
11、高光效，處理散熱。例如，采用大面積芯片倒裝構造，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的外表積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。TO封裝技術封裝技術v TO封裝，即 或者-hole封裝技術，原來是晶體管器件常用的封裝方式，在工業技術上比較成熟。TO封裝的寄生參數小、工藝簡單、本錢低，運用靈敏方便，因此這種構造廣泛用于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接納器件和組件的封裝。TO管殼內部空間很小，而且只需四根引線，不能夠安裝半導體致冷器。由于在封裝本錢上的極大優勢，封裝技術的不斷提高，TO封裝激光器的速率曾經可以到達 10Gb/s。v TO管殼
12、所用資料主要為不銹鋼或可閥。整個構造由 TO管座、內套、透鏡座、外套以及內部光學系統組成114，構造上下部有一致的同心度。v 根據與外部的光學銜接方式，TO封裝可以分為插拔式封裝()、窗口式封裝(-can)和帶尾纖()的全金屬化耦合封裝等三種方式。TOTO同軸封裝同軸封裝 拔插式 窗口式 帶尾纖式 插拔式同軸封裝插拔式同軸封裝插拔式封裝構造表示圖窗口式同軸封裝窗口式同軸封裝窗口式TO封裝激光器的內部構造 激光器芯片是燒焊在載體上，激光器發出的光經過透鏡聚焦，投射到外面的光接納器件。激光器經過金絲銜接在兩個管腳上。調制信號和偏置電流都經過這兩個管腳。管座
13、上的探測器監測激光器的任務情況。探測器可接納到激光器反面發出的光，產生光電流。當激光器的發光強度隨著外界環境的變化而產生變化時，那么探測器產生的光電流也會變化。經過外電路的負反響作用，控制激光器的偏置電流，使得激光器任務形狀穩定。探測器用金絲與另外兩個管腳相連。尾纖式同軸封裝尾纖式同軸封裝a刨面表示圖 b外觀圖 帶尾纖的拔插式封裝圖蝶式封裝技術蝶式封裝技術v 蝶式封裝用于高速率、長間隔的傳輸系統，假設采用直接調制式的 DFB 激光器作為光源，必需運用熱敏電阻和致冷器組成的溫控電路來保證激光器任務在比較穩定的溫度和形狀下。TO管殼由于內部空間和管腳數目的限制，難以滿足DFB 激光器的封裝需求，而
14、體積稍大一些、帶致冷器的蝶型管殼就成為了理想的選擇。傳統的蝶型管殼共有 14條管腳引線，整個外形近似于蝴蝶，因此被稱之為蝶式封裝。蝶式封裝半導體激光器14腳蝶式封裝激光器構造腳蝶式封裝激光器構造v 與TO管殼相比，蝶型管殼主要還引入了熱敏電阻和致冷器，熱敏電阻緊貼激光器芯片放置，實時監測激光器芯片的溫度，然后反響給外電路控制芯片；驅動致冷器任務來調理激光器溫度，使之堅持在一個恒定的范圍內。v 此外根據光發射模塊中不同激光器驅動芯片的輸出阻抗25或50，在激光器芯片的交流回路中需求串聯一個電阻來實現阻抗匹配，如圖中驅動芯片輸出阻抗 25，激光器芯片交流阻抗大約 5，于是串聯電阻
15、等于 20。v 還有在激光器芯片的直流偏置回路中需求串聯一高頻電感，其理想作用是對偏置電流短路而對交流調制信號開路半導體激光器.制造.封裝ppt課件，隔離直流偏置支路對交流回路的影響。14腳蝶型激光器的內部構造 氣密小室封裝激光器氣密小室封裝激光器 通常激光器的光電子芯片需求在氮氣維護環境下任務，因此無論哪種封裝方式都必需思索氣密性。對于某些特殊用途的模塊，封裝管殼構造不規那么，外形尺寸比較大，模塊內部往往包含有其它功能的芯片和電路。 如圖 (a)所示，假設對模塊進展整體氣密封裝黑色區域，光電子芯片和電子芯片都在其中，存在相互關擾和影響，氣密工藝復雜而且本錢較高。但是假設將 如圖 (b)所示，假設對中心部分即光電子芯片用氣密小
16、室封裝技術實現部分氣密封裝黑色區域，其它電子芯片采用非氣密封裝，這樣就可以大大降低氣密的難度，提高模塊的氣密可靠性。 (a)整體氣密封裝模塊(b)氣密小室封裝模塊子載體封裝激光器子載體封裝激光器 通常模塊內部的電路和芯片中只需部分具有高頻要求，其它控制電路都任務在較低的頻率，而且激光器需求思索散熱問題，因此沒有必要將整個電路都制備在絕緣性能和導熱性能好的高頻基片上。 采用子載體封裝激光器可以有效的降低本錢：1.減少基片資料運用；2.降低由于采用特殊制備工藝，引起的電路制備本錢；3.降低在基片資料上制備多層電路，導致的模塊本錢。 有的光轉發器采用該技術方案，速率為 10Gb/s的電路制備在絕緣性
17、能高和導熱性能好的介質基片上，速率為 622Mb/s的電路和控制電路采用常規FR4 多層電路制備技術。子載體封裝激光器 微波封裝設計微波封裝設計v 微波設計主要用于長間隔，高速率調制的半導體LD及光電子器件封裝過程中。v 微波封裝技術處理的兩個問題：v 1.高阻50歐姆器件嚴重的的阻抗失配；v 2.電銜接光電子芯片時存在嚴重的模場失配。v 主要的研討對象及功能：v 1.載體除了導熱功能外，還需在外表上制造電路構造。v 2.金絲功能是與外部電路進展電銜接，為降低電感，越短越好。v 3.傳輸線相比金絲具有反射小、損耗低和可靠性高的優勢，用于封裝中較長間隔的電銜接，管殼內部和外部過渡部分同樣是一段傳輸線銜接。v 4.匹配電路是針對特定芯片的性能進展靈敏設計的，有多重方案。v 5.偏置網絡的中心部件是電感器，為激光器芯片提供直流偏置，隔絕外部高頻噪聲的進入和內部交流信號的外泄。 for your ! for your !
好了，今天的分享就到此為止，感謝您的查閱！
