半导体激光器工艺知识详解

　　半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。

　　半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

　　半导体激光器的工作原理

　　激光产生原理

　　半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：

　　（1）增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

　　（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p腔（法布里一珀罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一面构成F—P腔。

　　（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

　　可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。

　　

　　半导体激光器的工作特性

　　1）阈值电流

　　当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：

　　（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

　　（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

　　（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

　　（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

　　2）方向性

　　由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。

　　3）效率

　　量子效率 η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。 功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

　　4）光谱特性

　　由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。

　　

　　半导体激光器工艺知识

　　半导体激光器的制造工艺从原理上与半导体电子器件的工艺有很多相似之处。半导体激光器的诞生需要经过很多的制造工艺步骤才能实现。尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制造工艺存在较大的差别，但都大同小异。

　　基本工艺：衬底的选择和制备；外延生长；腐蚀；扩散、电极制作；解理或划片；装架制管；老化筛选;；封装耦合；总测。

　　下面说明其中几个主要工艺：

　　1、衬底的选择是器件制造的第一步。衬底就是用于外延生长的基片。由于外延生长的质量明显地受衬底结晶质量的影响，衬底必须考虑与形成异质结材料的晶格匹配（有时也加缓冲层）；具有规定的晶向及一定的偏离范围；要有适当的掺杂浓度；一定的厚度； 表面和内部的缺陷密度要低，表面平整光亮，无划痕。

　　2、外延生长工艺是半导体激光器制造中的核心工艺，它是决定器件性能和成品率的关键步骤。外延生长就是在衬底片上生长多层的- 元或多元化合物或合金（固溶体），以使其形成同质结或异质结。常用外延生长工艺有LPE、MOCVD、MBE等。

　　3、腐蚀是根据激光器设计的结构和所用材料来制备所需各种形状的重要工艺环节。它分湿法（化学） 腐蚀和干法腐蚀（等离子刻蚀，反应离子刻蚀，磁回旋共振刻蚀等） 两种，各有自己的使用范围。千法腐蚀主要用作微小尺寸的精细刻蚀。

　　4、扩散是半导体制造中十分成熟而又日益重要的一一项技术。利用扩散技术可以改变半导体材料的电学、光学性质。

　　

　　5、电极制作又称欧姆接触，它的好坏不仅影响器件的功率转换，而且。直接影响器件的可靠性和寿命。

　　6、解理技术是将金属化（欧姆接触制作） 后外延芯片解理成单个芯片，并获得平行反射腔面（即F-P腔）的- -项技术。

　　7、烧焊是将检测合格的管芯用焊料烧结在热沉上。烧焊方法有真空烧焊和成形气体烧焊两种，主要根据焊料的性质及工艺来选择。烧焊时既要保持粘结牢固，粘润要均匀，但所用焊料又不能太多，温度不能太高，以防止焊料溢出底面破坏解理面，甚至玷污有源区。

　　8、键合是将金丝或金箔带用超声焊或热压焊，或两者兼有的方法将电极连接在管芯上，以作电流注入的引线。

　　9、为了提高可靠性，封装应是全金属化的，密封不漏气。某些情况下，管壳内还装有温控、光控传感器及半导体制冷器，有时还装有驱动电路，这些都视具体要求而定。通过上述工艺即可得到实际应用的半导体激光器件。

　　

　　常用的半导体激光器的应用

　　量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新-在印刷业和医学领域，高功率半导体激光器也有应用。另外，如长波长激光器（1976年，人们用GaInAsP／lnP实现了长波长激光器）用于光通信，短波长激光器用于光盘读出。自从NaKamura实现了GatnN／QaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如cD播放器，DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。

　　蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写入，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。

　　另外，由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外（3—5邮，）LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗121、自由空闻通信、大气监 视和化学光谱学等方面有广泛的应用。

　　绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段。垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面。

　　如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，最子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注入半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础。