半导体激光器制造封装
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❖ 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。
半导体
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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。
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。
半导体
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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
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3. DFB-LD和VCSEL芯片制造
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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
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DFB-LD
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
1.能在所需的 波长发光
2.晶格常数与 衬底匹配
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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。
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利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面
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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。
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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
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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。
适用范围
50nm 600—900度 较安全 简单 便宜
5nm 900—1000度 较危险 较复杂 较贵
适合实验室和小批量 适合大规模生产 生产
0—0.5nm 500—650度 最安全 复杂 昂贵
适用于实验室研半究导体
（超晶格、Yo量ur 子sit阱e h）ere
2.3腐蚀（光刻）工艺步骤 以正型光刻胶为例：
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30—60微米的金丝或几十微米的金条。
解离 装架制管 老化筛选
封装耦合
总测
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2.1半导体激光器的工艺过程
半导体
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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）
❖ 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
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半导体激光器的材料选择
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几种外延技术的比较：
生长速度
LPE 1μm/分或更大
MOCVD 0.01—0.5μm/分
MBE 0.1—0.5μm/分
生长厚度 外延片质量
较厚
可任意控制
可随意控制
厚度、组分不均匀、 表面光滑、组分可控、表面光滑、掺杂和组
缺陷、表面变形
质量好
分可控、质量好
厚度控制 生长温度 安全性 设备 设备投资
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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：
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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。
描述半导体激光器性能的三个主要参数： 输出功率 转换效率 可靠性
扩散 电极制作
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：
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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：
❖ 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 半导体
Your site here Nhomakorabea2.6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
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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。
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。
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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
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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
1.能在所需的 波长发光
2.晶格常数与 衬底匹配
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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。
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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。
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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。
适用范围
50nm 600—900度 较安全 简单 便宜
5nm 900—1000度 较危险 较复杂 较贵
适合实验室和小批量 适合大规模生产 生产
0—0.5nm 500—650度 最安全 复杂 昂贵
适用于实验室研半究导体
（超晶格、Yo量ur 子sit阱e h）ere
2.3腐蚀（光刻）工艺步骤 以正型光刻胶为例：
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30—60微米的金丝或几十微米的金条。
解离 装架制管 老化筛选
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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）
❖ 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。
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生长速度
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生长厚度 外延片质量
较厚
可任意控制
可随意控制
厚度、组分不均匀、 表面光滑、组分可控、表面光滑、掺杂和组
缺陷、表面变形
质量好
分可控、质量好
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❖ 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：
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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。
描述半导体激光器性能的三个主要参数： 输出功率 转换效率 可靠性
扩散 电极制作
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：
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❖ 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：
❖ 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。
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❖ 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