大功率半導體激光器制備工藝

閆昊 長春理工大學國家重點實驗室

1 概述

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質的激光器。由于物質結構上的差異，不同種類產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵、硫化鎘、磷化銦、硫化鋅等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。

大功率半導體激光器主要是指具有單個發射腔的輸出功率大于200mW的半導體激光器單管（SLD），以及由多個發光點組成的輸出功率大于10W的半導體激光器陣列（LDA）。

半導體激光器的制備過程中包含了半導體工藝的大部分內容，從外延材料的生長、光刻刻蝕、絕緣介質膜的制備、金屬膜的制備、光學膜的制備，到散熱封裝工藝等。對于半導體激光器來說，每一項工藝的優劣直接影響著激光器的性能的好壞，因此需要不斷優化和改進，從而得到穩定的、重復性高的半導體激光器工藝。

2 制備工藝

大功率半導體激光器的制備工藝是實現其設計功能非常重要的一個環節，一直以來都受到許多研究機構關注和研究。不同的設備以及工藝會產生不同的影響，本章主要介紹了大功率半導體激光器的制備工藝和封裝工藝。

2.1 材料生長工藝

現今普遍應用的是金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）等氣象外延方法，MOCVD和MBE方法能夠對外延層的厚度和組分進行精確的控制，利于制備結構復雜的半導體激光器。

MBE技術利用不同元素的分子束進行外延生長，除了對外延層組分、摻雜和厚度可以得到很好的控制外，更可以制備高純度的外延層。MBE方法的主要缺點是外延層的均勻性對分子束的均勻性有強烈的依賴性，以及設備成本較高，這限制了MBE技術在大規模生產中的應用。

金屬有機物化合物化學氣相沉積是一種常用的外延生長技術[1]，MOCVD系統大致包括以下幾個系統：原材料輸運系統、反應室系統、尾氣處理系統、控制系統和原位監測系統。

其主要工作原理是用氫氣將金屬有機化合物和氫化物分子連續輸運到反應室內加熱的襯底上，在襯底表面生成外延層。H2作為運載氣體攜帶MO源和氫化物等反應物進入到反應室里，在逐漸升溫的環境下，金屬有機物與非金屬氫化物或有機化合物之間形成加合物，隨著溫度的進一步升高，MO源和氫化物及加合物的逐步熱分解，甚至氣相成核。氣相中的反應物擴散到襯底表面，然后吸附在襯底表面，吸附的品種會在襯底表面遷移并繼續發生反應，最終并入晶格形成外延層。表面生成的副產物會從生長表面脫附，通過擴散，又回到主氣流，被載氣帶出反應室。還有部分氣相反應產物被氣流直接帶出反應室。

總之，制備出高功率半導體激光器要求具有高質量的外延片，需要在材料生長過程中精確控制摻雜水平、外延層組分組分、純度、厚度（單原子層到微米量級）、組分和摻雜的突變等，對結晶質量、生長均勻性和可重復性也提出了很高的要求。目前，MOCVD和MBE這兩種材料生長方法都可以生長出效率、功率、壽命和電光特性良好的半導體激光器材料。

2.2 光刻

光刻是一種將圖形復印功能和腐蝕（或刻蝕）功能相結合的精密表面加工技術，是在半導體激光器的制備工藝中非常關鍵的工藝步驟。光刻質量的好與壞，直接會影響半導體激光器的性能和成品率。光刻的工藝步驟主要分為勻膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕和去膠等步驟。光刻過程中必須用到掩膜版、光刻膠及其對應的顯影液。

2.3 刻蝕

光刻堅膜之后，通過刻蝕的方法在晶片表面制備需要的圖形結構，可以是隔離槽、接觸孔、金屬線等。刻蝕分為濕法化學刻蝕和干法化學或物理刻蝕。濕法化學腐蝕操作簡單，成本低，可多外延片同時進行。在半導體材料的不同晶向上具有不同的化學腐蝕的速率，因此影響芯片表面圖形的形狀。化學刻蝕的速率受溫度影響非常大。由于半導體激光器外延層結構復雜，由多個薄層組成，因此腐蝕速率是不均勻的，刻蝕不同深度時，要分別進行精確的條件實驗。

2.4 薄膜技術

(1）制備絕緣介質膜：

大功率半導體激光器一般采用二氧化硅做為絕緣介質膜，SiO2絕緣介質膜沉積在半導體材料表面的主要方法包括：等離子體化學氣相沉積（CVD）、射頻濺射沉積和熱蒸發。

(2）制備金屬膜：

采用蒸發或濺射的方法在半導體激光器芯片的N面和P面制備金屬膜，獲得良好的歐姆接觸，利于電流的注入和散熱。根據半導體材料及摻雜的不同來選擇金屬膜的材料和厚度。

圖1 大功率半導體激光器單管側視圖及制備過程

如圖1所示，是基本的單管器件結構的側視圖及制備過程。首先，刻蝕溝道，兩個溝道之間形成臺面，之后在表面沉積SiO2絕緣層并在臺面上刻蝕出電流注入窗口，最后在表面蒸發Ti/Pt/Au金屬膜[7]并把電流窗口兩側的金屬刻蝕掉，這樣半導體激光器P面上的結構已基本制備完成。

(3）制備腔面膜：

激光器的P面結構制備完成后，需要把外延片按照一定的腔長解理成Bar條，以便進一步制備前后腔面膜，形成激光器的諧振腔。制備具有高腔面損傷閾值的激光器腔面膜是芯片工藝的核心技術之一，主要作用是防止腔面氧化，提高激光器的穩定性和可靠性，增加單面出光功率，從而提高激光器的效率。大功率半導體激光器的出光面處光功率密度非常高，達到107W/cm2數量級。

在腔面膜材料的選擇上，要求膜系材料純度高，附著力和穩定性好，與激光器解理面具有良好的應力匹配和熱匹配，膜系材料之間的晶格匹配也很重要。對于大多數紅外高功率半導體激光器，高反射率的前腔面膜（HR）可以采用Si O/TiO膜系、Al O和Si，反射率達到98%，高透射率的后腔面膜（AR）可以采用AlO或Si ON，反射率為5%-2%。

2.5 封裝

封裝技術的優劣直接影響到大功率半導體激光器陣列的輸出光功率、波長、壽命等主要特征參數，而且從技術和成本兩個方面影響到激光器的應用。陣列對準的精確度、焊接過程的控制、高度專門化的設備及操作人員，這些都是高標準的激光器陣列封裝中不可缺少的組成部分，這導致封裝過程的成本占到制備激光器陣列總成本的50%。

3 結語

大功率激光器在工業與國防等領域有著廣泛的應用，是現代激光材料加工、激光再制造、國防安全領域中必不可少的核心組件。經過近20年來的開發,我國大功率半導體激光器的研制和生產技術已有了一些基礎和實力，但與國際迅猛發展的勢頭相比[2]，我們還有一定的差距。