大功率半导体激光器制备的关键工艺探索

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出处：美美啦Mimila

导读："半导体激光器以独特材料与精密工艺实现高功率输出，MOCVD和MBE技术确保外延层精准生长，光刻、刻蚀与薄膜技术塑造核心结构，封装工艺则直接决定性能与寿命，推动其在工业和国防领域的广泛应用。"
011. 概述

半导体激光器，亦被称为激光二极管，是一种以半导体材料为工作基础的激光器。因其物质结构的独特性，不同类型的半导体激光器在产生激光的过程上各有差异。常见的工作物质包括砷化镓、硫化镉、磷化铟以及硫化锌等。其激励方式则可分为电注入、电子束激励和光泵浦三种方式。此外，半导体激光器件还可细分为同质结、单异质结及双异质结等多种类型。在室温条件下，同质结和单异质结激光器通常作为脉冲器件使用，而双异质结激光器则能实现连续工作。

大功率半导体激光器，特指那些单个发射腔输出功率超过200mW的半导体激光器单管（SLD），以及由多个发光点集成的输出功率超过10W的半导体激光器阵列（LDA）。其 制备过程涵盖了半导体工艺的诸多环节，如外延材料的生长、精密的光刻刻蚀技术、绝缘介质膜与金属膜的制备、光学膜层的涂覆，以及散热与封装工艺等。每一环节的工艺优化都对激光器的性能产生直接影响，因此，持续改进与优化这些工艺环节至关重要，以确保半导体激光器的稳定性和高重复性。

022. 制备工艺

2. 制备工艺

大功率半导体激光器的 制备工艺，作为实现其设计功能的关键环节，一直受到广泛关注。这一环节涉及到的设备与工艺选择，将对最终产品的性能产生深远影响。本章将重点探讨大功率半导体激光器的制备工艺，包括外延材料的生长、精密的光刻刻蚀技术、绝缘介质膜与金属膜的制备、光学膜层的涂覆，以及关键的散热与封装工艺等。通过深入了解这些工艺流程，我们可以更好地理解如何优化激光器的性能，确保其稳定性和高重复性。

2.1 > 材料生长工艺

目前， 金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）是主流的外延生长方法。这两种方法都能实现对半导体激光器外延层厚度和组分的精准把控，从而支持复杂结构激光器的制备。

MBE技术通过不同元素分子束的叠加进行外延，其优势在于对外延层的组分、掺杂以及厚度都能进行精细调控，同时还能制备出高纯度的外延层。但MBE也存在一定的局限性，如外延层的均匀性受分子束均匀性影响较大，且设备成本高昂，这些因素限制了MBE在 大规模生产中的应用。

相比之下，MOCVD技术则是一种更为常用的外延生长技术。其工作原理是利用氢气将金属有机化合物和氢化物分子输送到反应室内的加热衬底上，通过一系列的热解和气相反应，最终在衬底表面形成外延层。MOCVD系统的关键组成部分包括原材料输运系统、反应室系统、尾气处理系统、控制系统以及原位监测系统。

无论是MOCVD还是MBE，高质量的外延片都是制备高功率半导体激光器的关键。这要求在材料生长过程中，对掺杂水平、外延层组分、纯度、厚度以及结晶质量、生长均匀性和可重复性等方面都达到极高的标准。幸运的是，这两种材料生长方法都能生长出 效率、功率、寿命和电光特性优良的半导体激光器材料。

2.2 > 光刻技术
光刻，这一精密表面加工技术，巧妙地结合了图形复印与腐蚀（或刻蚀）功能，成为半导体激光器制备工艺中的 关键环节。其质量优劣直接关乎半导体激光器的性能表现及成品率。光刻流程涵盖匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀以及去胶等多个精细步骤，而掩膜版、光刻胶及其相应的显影液则是这一过程中不可或缺的要素。
2.3 > 刻蚀技术
在光刻坚膜之后，为了在晶片表面 制备所需的图形结构，如隔离槽、接触孔和金属线等，刻蚀技术被广泛应用。刻蚀分为湿法化学刻蚀和干法化学或物理刻蚀两类。湿法化学刻蚀因其操作简便和成本低廉而受到青睐，且能同时处理多片外延片。然而，需要注意的是，半导体材料在不同晶向上的化学腐蚀速率存在差异，这会对芯片表面图形的形状产生影响。此外，化学刻蚀的速率对温度变化非常敏感。鉴于半导体激光器外延层结构的复杂性，由多个薄层构成，腐蚀速率的不均匀性是一个必须面对的挑战。因此，在刻蚀不同深度时，需要进行精确的条件实验以确保刻蚀效果的 一致性。

2.4 > 薄膜技术

在半导体激光器的制备过程中， 薄膜技术扮演着至关重要的角色。首先，绝缘介质膜的制备是不可或缺的一环。大功率半导体激光器通常选用二氧化硅（SiO2）作为绝缘介质膜，其沉积方法多样，包括等离子体化学气相沉积（CVD）、射频溅射沉积以及热蒸发等。这些方法各有特点，需要根据具体需求进行选择。

此外，金属膜的制备也是薄膜技术中的一项关键任务。金属膜的制备通常采用蒸发或溅射技术，旨在为半导体激光器芯片的N面和P面提供良好的欧姆接触，从而优化电流注入和散热效果。在制备过程中，需根据半导体材料的特性及掺杂情况， 精心选择金属膜的材料和厚度，以确保达到理想的制备效果。

2.4.1 > 单管器件结构制备

图1展示了基本的单管器件结构的侧视图及其制备流程。首先，通过刻蚀形成沟道，并在两个沟道间构建出台面。随后，在台面上沉积SiO2绝缘层并刻蚀出电流注入窗口。最后，蒸发Ti/Pt/Au金属膜，并刻蚀掉电流窗口两侧的金属，从而完成半导体激光器 P面上的基本结构制备。

2.4.2 > 腔面膜的制备

完成P面结构后，需将外延片解理成适当的Bar条，以进行前后腔面膜的制备，进而形成激光器的谐振腔。 激光器腔面膜的制备是芯片工艺中的关键技术，旨在提高激光器的稳定性和可靠性，同时增加单面出光功率，进而提升激光器效率。由于大功率半导体激光器的出光面光功率密度极高，可达107W/cm2数量级，因此对腔面膜材料的要求也极为严格。

在材料选择上，腔面膜需具备高纯度、良好的附着力和稳定性，同时与激光器解理面应具备优异的应力匹配和热匹配特性。此外，膜系材料之间的晶格匹配也至关重要。对于多数红外高功率半导体激光器，前腔面膜（HR）通常采用SiO/TiO膜系、AlO或Si，其反射率可高达98%，而后腔面膜（AR）则选用AlO或SiON，透射率控制在5%-2%之间。

2.5 > 封装工艺

封装技术对大功率半导体激光器阵列的性能产生直接影响，包括输出光功率、波长稳定性以及使用寿命等关键参数。同时，封装过程还从技术和经济层面制约着激光器的应用范围。在阵列的精确对准、焊接质量控制、高度专业化的设备需求以及熟练操作人员等方面，都体现了高标准的激光器阵列封装所不可或缺的复杂性。因此，封装环节的成本往往占据激光器阵列整体制备成本的半壁江山。