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一文看懂大功率半导体激光器制备工艺

发布时间:2021-03-01 16:32 点击数:
    半导体激光器又称激光二极管,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、硫化镉、磷化铟、硫化锌等。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。
 
    大功率半导体激光器主要是指具有单个发射腔的输出功率大于200mW 的半导体激光器单管(SLD),以及由多个发光点组成的输出功率大于 10W 的半导体激光器阵列(LDA)。
 
    半导体激光器的制备过程中包含了半导体工艺的大部分内容,从外延材料的生长、光刻刻蚀、绝缘介质膜的制备、金属膜的制备、光学膜的制备,到散热封装工艺等。对于半导体激光器来说,每一项工艺的优劣直接影响着激光器的性能的好坏,因此需要不断优化和改进,从而得到稳定的、重复性高的半导体激光器工艺。
 
2 制备工艺
 
    大功率半导体激光器的制备工艺是实现其设计功能非常重要的一个环节,一直以来都受到许多研究机构关注和研究。不同的设备以及工艺会产生不同的影响,本章主要介绍了大功率半导体激光器的制备工艺和封装工艺。
 
2.1 材料生长工艺
 
    现今普遍应用的是金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等气象外延方法,MOCVD 和 MBE 方法能够对外延层的厚度和组分进行精确的控制,利于制备结构复杂的半导体激光器。
 
    MBE 技术利用不同元素的分子束进行外延生长,除了对外延层组分、掺杂和厚度可以得到很好的控制外,更可以制备高纯度的外延层。MBE 方法的主要缺点是外延层的均匀性对分子束的均匀性有强烈的依赖性,以及设备成本较高,这限制了 MBE 技术在大规模生产中的应用。
 
    金属有机物化合物化学气相沉积是一种常用的外延生长技术 [1],MOCVD 系统大致包括以下几个系统:原材料输运系统、反应室系统、尾气处理系统、控制系统和原位监测系统。
 
    其主要工作原理是用氢气将金属有机化合物和氢化物分子连续输运到反应室内加热的衬底上,在衬底表面生成外延层。H2 作为运载气体携带 MO 源和氢化物等反应物进入到反应室里,在逐渐升温的环境下,金属有机物与非金属氢化物或有机化合物之间形成加合物,随着温度的进一步升高,MO 源和氢化物及加合物的逐步热分解,甚至气相成核。气相中的反应物扩散到衬底表面,然后吸附在衬底表面,吸附的品种会在衬底表面迁移并继续发生反应,最终并入晶格形成外延层。表面生成的副产物会从生长表面脱附,通过扩散,又回到主气流,被载气带出反应室。还有部分气相反应产物被气流直接带出反应室。
 
    总之,制备出高功率半导体激光器要求具有高质量的外延片,需要在材料生长过程中精确控制掺杂水平、外延层组分组分、纯度、厚度(单原子层到微米量级)、组分和掺杂的突变等,对结晶质量、生长均匀性和可重复性也提出了很高的要求。目前,MOCVD 和 MBE 这两种材料生长方法都可以生长出效率、功率、寿命和电光特性良好的半导体激光器材料。
 
2.2 光刻
 
    光刻是一种将图形复印功能和腐蚀(或刻蚀)功能相结合的精密表面加工技术,是在半导体激光器的制备工艺中非常关键的工艺步骤。光刻质量的好与坏,直接会影响半导体激光器的性能和成品率。光刻的工艺步骤主要分为匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶等步骤。光刻过程中必须用到掩膜版、光刻胶及其对应的显影液。
 
2.3 刻蚀
 
    光刻坚膜之后,通过刻蚀的方法在晶片表面制备需要的图形结构,可以是隔离槽、接触孔、金属线等。刻蚀分为湿法化学刻蚀和干法化学或物理刻蚀。湿法化学腐蚀操作简单,成本低,可多外延片同时进行。在半导体材料的不同晶向上具有不同的化学腐蚀的速率,因此影响芯片表面图形的形状。化学刻蚀的速率受温度影响非常大。由于半导体激光器外延层结构复杂,由多个薄层组成,因此腐蚀速率是不均匀的,刻蚀不同深度时,要分别进行精确的条件实验。
 
2.4 薄膜技术
 
(1)制备绝缘介质膜 :
 
    大功率半导体激光器一般采用二氧化硅做为绝缘介质膜,SiO2绝缘介质膜沉积在半导体材料表面的主要方法包括:等离子体化学气相沉积(CVD)、射频溅射沉积和热蒸发。
 
(2)制备金属膜 :
 
    采用蒸发或溅射的方法在半导体激光器芯片的 N 面和 P 面制备金属膜,获得良好的欧姆接触,利于电流的注入和散热。根据半导体材料及掺杂的不同来选择金属膜的材料和厚度。
 
 
    如图 1 所示,是基本的单管器件结构的侧视图及制备过程。首先,刻蚀沟道,两个沟道之间形成台面,之后在表面沉积 SiO2 绝缘层并在台面上刻蚀出电流注入窗口,最后在表面蒸发 Ti/Pt/Au 金属膜 [7]并把电流窗口两侧的金属刻蚀掉,这样半导体激光器 P 面上的结构已基本制备完成。
 
(3)制备腔面膜:
 
    激光器的 P 面结构制备完成后,需要把外延片按照一定的腔长解理成 Bar 条,以便进一步制备前后腔面膜,形成激光器的谐振腔。制备具有高腔面损伤阈值的激光器腔面膜是芯片工艺的核心技术之一,主要作用是防止腔面氧化,提高激光器的稳定性和可靠性,增加单面出光功率,从而提高激光器的效率。大功率半导体激光器的出光面处光功率密度非常高,达到 107W/cm2 数量级。
 
    在腔面膜材料的选择上,要求膜系材料纯度高,附着力和稳定性好,与激光器解理面具有良好的应力匹配和热匹配,膜系材料之间的晶格匹配也很重要。对于大多数红外高功率半导体激光器,高反射率的前腔面膜(HR)可以采用 Si O/TiO 膜系、Al O 和 Si,反射率达到 98%,高透射率的后腔面膜(AR)可以采用 AlO 或 Si ON,反射率为 5%-2%。
 
2.5 封装
 
    封装技术的优劣直接影响到大功率半导体激光器阵列的输出光功率、波长、寿命等主要特征参数,而且从技术和成本两个方面影响到激光器的应用。阵列对准的精确度、焊接过程的控制、高度专门化的设备及操作人员,这些都是高标准的激光器阵列封装中不可缺少的组成部分,这导致封装过程的成本占到制备激光器阵列总成本的50%。
 
3 结语
 
    大功率激光器在工业与国防等领域有着广泛的应用,是现代激光材料加工、激光再制造、国防安全领域中必不可少的核心组件。经过近 20 年来的开发 ,我国大功率半导体激光器的研制和生产技术已有了一些基础和实力,但与国际迅猛发展的势头相比 [2],我们还有一定的差距。
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