半导体激光器面面观,半导体性能特点

一、量子阱(QW)激光器

(1)QW激光器

随着金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术的逐渐成熟和完善，QW激光器很快从实验室研制进入商用化。QW器件是指采用QW材料作为有源区的光电子器件，材料生长一般是采用MOCVD外延技术。这种器件的特点就在于它的QW有源区具有准二维特性和量子尺寸效应。QW激光器与体材料激光器相比，具有阈值电流小、量子效率高、振荡频率高的特点，并可直接在较高的温度下工作。

(2)应变QW激光器

为了进一步改善QW激光器的性能，人们又在QW中引入应变和补偿应变，出现了应变QW激光器和补偿应变QW激光器。应变的引入减小了空穴的有限质量，进一步减小了价带间的跃迁，从而使QW激光器的阈值电流显著降低，量子效率和振荡频率再次提高，并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/压应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命，而且可利用压应变对应于TE模式、张应变主要对应于TM模式的特性，制作与偏振无关的半导体激光放大器。

引人瞩目的是，GaSb基锑化物材料的研究多年来倍受重视，因其波长覆盖范围宽，可从1.7m延展到4.5m，但材料生长和器件制作比较困难，1990年以前器件性能指标较低。经过近十年的努力，目前MBE生长GaSb基锑化物应变量子阱激光器已在1.9 2.6m波段先后获得室温连续大功率工作的突破。

(3)我国QW激光器的进展

我国从1993年年底开始利用AIX200型低压MOCVD系统进行QW器件的开发，现已开发出几十种InGaAsP系列、AlGaInAs系列材料和两种系列的应变QW材料，QW器件的开发也取得丰硕的成果，完成了多项"863"项目，已形成产品的主要有如下器件：

（1）普通1.3 m QW激光器，国内首批实用化的QW激光器产品，1995年开始大量使用于移动通信光纤传输直放站。

（2）应变QW DFB激光器系列产品，波长覆盖1.5～1.57 m，1996年底批量生产并正式投放市场，主要作为2.5Gb/s SDH系统和WDM系统发射和信道监控光源。

（3）大功率高线性1.3 m应变QW DFB激光器，1997年小批量使用于CATV光发射机。

正在开发的器件有：

（1）1.3 m、1.55 m AlGaInAs高温无致冷应变QW激光器，"863"项目。

（2）1.3 m、1.55 m补偿应变InGaAsP QW半导体激光放大器，"863"项目。

（3）2.5 Gb/s用的QW DFB激光器与电吸收型调制器的单片光集成器件。

QW激光器是发展高速光纤通信系统国家急需的关键器件。由于此项关键技术的突破，大大推动了我国光纤通信技术的发展。

二、分布反馈（DFB）激光器

DFB 激光谱线宽度要小于0.04nm，而且 DFB 激光波长随温度的漂移相对较小，并具有高的边模抑制比。这些特性使得 DFB 激光器非常适合密集波分复用 (DWDM) 的通信应用。

(1)增益耦合DFB激光器

增益耦合DFB激光器由于它的发射模落在中心的基模上，从物理上保证了它必然是单纵模的动作，单纵模成品率很高，比常用的折射率耦合DFB制作工艺难度小，成本也比较低，同时它还具有其他的优点，如对背反射光的抑制等。*成熟的器件材料系，首推InGaAsP/InP MQW材料。

(2)电吸收调制DFB激光器（EML）：

直接调制DFB激光器受到驰振荡效应的限制，响应速率难以越过5 Gb/s，同时在高速率下，由于伴随着很大的正啁啾和负啁啾，使传输性能降低。直接调制的DFB激光器通常引入MZ调制器和电吸收调制器这两种调制器，从光网络体系考虑，调制器宜结构简单并能与DFB激光器实现单片集成。电吸收调制器比MZ调制器更有吸引力是因为它可以与DFB激光器单片集成使结构紧凑，并且省去了偏振控制。韩国大学无线电工程学院研制出了用于高比特速率和长拖曳光通信系统的集成10Gb/s电吸收调制的DFB激光器，实现了超过130km标准光纤的无损耗传输。

(3)可调谐DFB激光器

德国科学家日前演示了一种价格便宜的在整个可见光谱区内可调的DFB薄膜有机物半导体激光器。这种DFB的发射波长范围由薄膜的厚度控制。薄膜材料为Alq:DCM。并采用聚乙烯对苯二亚甲基（PET）的可弯曲薄片作为衬底。科学家根据Alq：DCM薄膜的厚度不同（从120nm到435 nm）制作了几种DFB激光器。当薄膜厚度为120 nm时，激光器波长为604 nm；厚度为435 nm时，激光器波长为648 nm。实现了30nm的连续可调谐范围。

(4)光纤光栅DFB激光器

若把光纤布拉格光栅作为半导体激光器的外腔反射镜，就可以制出性能优异的光纤光栅DFB激光器。这种激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。光纤光栅DFB激光器，其线宽小于15kHz，甚至可达1kHz，边模抑制比大于30dB，当用1.2Gb/s的信号调制时，啁啾小于0.5MHz，信噪比高达60dB。

三、大功率激光器

近年来，大功率半导体激光器阵列得到了飞速发展，已推出产品有连续输出功率5Ｗ、10Ｗ、15Ｗ、20Ｗ和30Ｗ的激光器阵列。脉冲工作的激光器，峰值输出功率50Ｗ、120Ｗ、1500Ｗ、和4800Ｗ的阵列也已经商品化。
(1)808 nm InGaAsP无铝大功率激光器

美国相干公司的半导体研究所研制了一种无铝激光器，其准连续波功率为50W，工作温度高达75℃。在峰值功率为55W时测量，经109次400 s脉冲后其功率衰减＜9%。峰值功率为60 W时，占空比为30%，激光器的半*大值全宽（FWHM）为2.2 nm。此无铝激光器还具有抗暗线和污斑缺陷、抗断裂、抗衰变和抗氧化等能力。保持高电光转换的InGaAsP激光器棒具有窄线宽发射，低光束发散等特性，适用于航空电子学中作二极管泵浦固体平板激光器，医学和工业等领域。

(2)具有小的垂直束发散角的808 nm 大功率激光器

半导体激光器发射时一般在平面垂线到外延层间存在大的发散束，这种发散是因为在有源层附近的上百个纳米区存在很强的光场限制，降低了*大输出功率，并且由于高的光强而对体半导体或面半导体造成灾变性光学损伤（COD）。

德国采用将高折射率层插入两层包层之间的方法，减少光束发散和光场限制，提高了半导体激光器的可用性，增强了光输出功率。阈值电流密度为280 A/cm2，转换效率接近50%，输出功率达2W。

四、垂直腔面发射激光器

VCSEL(垂直腔面发射激光器)及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在：

●易于实现二维平面和光电集成；

●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；

●有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；

●芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；

●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；

●价格低。

(1)结构

(2)衬底的选择

硅上VCSEL

在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。 日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的螺位错密度。

蓝宝石上VCSEL

美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使底部发射850nm VCSEL发射的光穿过 衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，*大值达到25%。
GaAs上VCSEL

基于GaAs基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL*多也是生长在GaAs衬底上。但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 m。发射波长1.3 m的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的F.Quochi等人演示了室温CW时激射波长为～1.28 m的生长在GaAs衬底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的GaAsSb-GaAs材料系*长的输出波长。

(3)新工艺

氧化物限制工艺

氧化物限制的重大意义在于：能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸，并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此，采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百Ａ，而驱动电流达到几个mA就足以产生1mW左右的输出光功率。

采用氧化孔径来限制电流与光场，使效率得到显著提高，同时降低了VCSEL的阈值电流。所以，现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制VCSEL阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流和高效率外，均匀性是成功的VCSEL阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了VCSEL阵列的均匀性，并降低了小孔器件的散射损耗。美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中，5 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至346 A，而平均外量子效率接近57%，室温连续波电流激射时单模输出功率超过2 mW。他们还演示了大（10 20）VCSEL阵列，其阈值电流和外量子效率的变化分别低于4%与2%。

晶片键合工艺

长波长垂直腔面发射激光器（LW-VCSEL）因其低价格、超低阈值和小的光束发散，作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离，使LW-VCSEL遭受横电光限制，因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。

日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入1.55 m VCSEL中，采用了薄膜晶片键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具体过程:（a）采用MOCVD生长InP 基激光器结构（*次生长）；（b）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（c）再一次生长掺Fe InP层和n-InP层（第二次生长）；（d）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（e）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（f）采用HCl和H3PO4化学溶液腐蚀InP衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（g）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；（h）将台面上部的p-InGaAs移开并将普通电极和SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。底部涂覆一层抗反射涂层。

因为熔合界面远离有源区，而且它不在器件电流通过的路径上，所以晶片键合过程不会影响器件特性。

此LW-VCSEL结构有以下优点：首先，谐振腔波长可在晶片融合之前监控，因此发射波长可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性会由于有源层和InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外，它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为p-GaAs-AlAs DBR和p-InP-p-GaAs界面间的高电阻得到了消除。 　　半导体业务中的典型供应链， 显示了需要材料表征、材料选择、质量控制、工艺优化和失效分析的不同工艺步骤
　　热分析在半导体封装行业中有不同的应用。使用的封装材料通常是环氧基化合物(环氧树脂模塑化合物、底部填充环氧树脂、银芯片粘接环氧树脂、圆顶封装环氧树脂等)。具有优异的热稳定性、尺寸稳定性以及良好户外性能的环氧树脂非常适合此类应用。固化和流变特性对于确保所生产组件工艺和质量保持一致具有重要意义。
　　通常，工程师将面临以下问题：
　　特定化合物的工艺窗口是什么？
　　如何控制这个过程？
　　优化的固化条件是什么？
　　如何缩短循环时间？
　　珀金埃尔默热分析仪的广泛应用可以提供工程师正在寻找的答案。
　　差示扫描量热法(DSC)
　　此项技术适合分析环氧树脂的热性能，如图1所示。测量提供了关于玻璃化转变温度(Tg)、固化反应的起始温度、固化热量和工艺终温度的信息。
图 1. DSC曲线显示环氧化合物的固化特征
　　DSC可用于显示玻璃化转变温度，因为它在给定温度下随固化时间(图2)的变化而变化。
图 2. DSC 曲线显示玻璃化转变温度
　　随着固化时间的延长而逐渐增加
　　玻璃化转变温度(Tg)是衡量环氧化合物交联密度的良好指标。事实上，过程工程师可以通过绘制玻璃化转变温度与不同固化温度下固化时间的关系图来确定适合特定环氧化合物的工艺窗口(图3)。
图 3. 玻璃化转变温度与不同固化温度下的固化时间的关系
　　如果工艺工程师没有测试这些数据，则生产过程通常会导致产品质量低下，如图4所示。
图 4. 玻璃化转变温度与不同固化温度下的固化时间的关系
　　在本例中，制造银芯片粘接环氧树脂使用的固化条件处于玻璃化转变温度与时间的关系曲线的上升部分(初始固化过程)。在上述条件下，只要固化时间或固化温度略有改变，就有可能导致结果发生巨大变化。
　　结果就是组件在引脚框架和半导体芯片之间容易发生分层故障。通过使用功率补偿DSC(例如珀金埃尔默的双炉DSC)，生成上述玻璃化转变温度与温度 / 时间关系曲线，可确定佳工艺条件。使用此法，即使是高度填充银芯片粘接环氧树脂的玻璃化转变也可以被检测出。这些数据为优化制造工艺提供了极有帮助的信息。
　　使用DSC技术，可以将固化温度和时间转换至160° C和2.5小时，以此达到优化该环氧树脂固化条件的目的。这一变化使过程稳定并获得一致的玻璃化转变温度值。在珀金埃尔默，DSC不仅被用于优化工艺，而且还通过监测固化产物的玻璃化转变温度值，发挥质量控制工具的作用。
DSC 8000 差示扫描量热仪
　　DSC 还可以用于确定焊料合金的熔点。用DSC分析含有3%(重量比)铜(Cu)、银(Ag)或铋(Bi)的锡合金。图5中显示的结果表明，不同成分的合金具有非常不同的熔点。含银合金在相同浓度(3%(重量比))下熔点低。
图 5. DSC：不同焊接合金在不同湿度环境下的熔点分析
　　热重分析(TGA)
　　珀金埃尔默热分析仪有助于设计工程师加深对材料选择的理解。例如，珀金埃尔默TGA 8000®(图6)可以检测出非常小的重量变化，并可用于测量重要的材料参数，如脱气性能和热稳定性。这将间接影响组件的可焊性。图7显示了在230°C 和260° C下具有不同脱气性能的两种环氧树脂封装材料。重量损失(脱气)程度越高，表明与引脚框架接触的环氧树脂密封剂的环氧—引脚框架分离概率越高。
图 6. 珀金埃尔默TGA 8000
图 7. TGA结果显示两种材料具有不同的脱气性能
　　热机械分析(TMA)
　　当材料经受温度变化时，TMA可测量材料的尺寸变化。对于固化环氧树脂体系，TMA可以输出热膨胀系数(CTE)和玻璃化转变温度。环氧树脂的热膨胀系数是非常重要的参数，因为细金线嵌入环氧化合物中，并且当电子元件经受反复的温度循环时，高热膨胀系数可能导致电线过早断裂。不同热膨胀系数之间的拐点可以定义为玻璃化转变温度(图8)。TMA还可以用于确定塑料部件的软化点和焊料的熔点。
图 8. 显 TMA 4000 测试的典型的 TMA 图
　　动态力学分析(DMA)
　　选择材料时，内部封装应力也是关键信息。将DMA与 TMA技术结合，可以获得关于散装材料内应力的定量信息。DMA测量材料的粘弹性，并提供不同温度下材料的模量，具体如图9所示。当材料经历热转变时，模量发生变化，使分析人员能够轻松指出热转变，如玻璃化转变温度、结晶或熔化。
图 9. DMA 8000 测试的典型的 DMA 图
　　热分析仪用于ASTM® 和IPC材料标准试验、质量控制和材料开发。图10显示了一个涉及热分析仪的IPC试验。珀金埃尔默DMA目前已在半导体行业得到广泛应用。
图 10. DMA：显示透明模塑化合物的内应力
　　热分析仪是半导体封装行业的重要工具。它们不仅在设计和开发阶段发挥了重要作用，而且还可用于进行故障分析和质量控制。许多标准方法都对热分析的使用进行了描述(图11)。使用珀金埃尔默热分析仪，用户可以优化加工条件并选择合适的材料以满足性能要求，从而确保半导体企业能够生产出高品质的产品。考虑到此类分析可以节省大量成本，热分析仪无疑是一项“必备”试验设备！
图 11. 用于标准方法的热分析仪

　　摘要：温度滴定法测定混酸：HNO3+H3PO4+HOAc
　　
　　设备：859温度滴定仪
　　
　　温度传感器
　　
　　804搅拌台
　　
　　802螺旋搅拌器
　　
　　800加液驱动器
　　
　　10毫升加液单元
　　
　　试剂：2 mol/L NaOH
　　
　　饱和氯化钠溶液（约35%）
　　
　　方法： 在滴定杯中加入10mL去离子水和15mL饱和氯化钠溶液，再加入0.5mL混酸样品。用2 mol/L NaOH 滴定至第三个终点。