半導體激光器巴條封裝應力及評價

張哲銘，薄報學，張曉磊，顧華欣，劉力寧，徐雨萌，喬忠良，高 欣

(長春理工大學,高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

1 引 言

隨著大功率半導體激光器的芯片加工與封裝技術的快速發展，其應用范圍也日趨廣泛，進而對大功率半導體激光器的可靠性要求日漸提高。在高功率半導體激光器(HPLD)的封裝過程中，減小封裝應力有利于保證HPLD設計的優良工作參數，減小由于封裝引入有源區的應變及晶格缺陷，從而延長激光器的使用壽命[1-4]。

近年來，國內外學者發表了大量研究應力與半導體激光器器件性能的文獻，其中最有代表性的是德國的TOMM領導的課題組提出了諸如微區拉曼光譜、微區光致發光、電致發光光譜法等眾多方法[5-8]，其檢測原理是通過測量微米或納米級別有源區材料的帶隙變化或晶格變化，計算出由于封裝引入有源區的應力大小。其優點是可以探測出芯片每一個發光單元甚至各個點的應力變化，分辨率最高可達納米級別。但由于其要求實驗設備較為昂貴，測量方法較為繁瑣，且著重于理論研究，對大批量實際商業應用涉及較少。

本文利用應力與半導體能帶的關系，設計了一種快速有效的檢測半導體激光器巴條封裝應力的實驗裝置。通過理論推導封裝應力對半導體激光器波長、偏振的影響，并測量巴條各個單元偏振度、閾值電流的變化趨勢，較為詳細地解釋了實驗數據。實驗證明，利用偏振法測量半導體激光器的封裝應力是一種快捷而有效的試驗方法。

2 應變理論與分析

應力會改變半導體材料的能帶結構與帶隙寬度。在張應力的情況下，半導體能帶中導帶下移，價帶上移，造成其禁帶寬度變窄從而激射波長紅移；在壓應力的情況下，造成帶隙寬度變寬，激射波長藍移。在半導體材料的帶隙寬度隨應力改變的同時，價帶底部也會發生微小變化。如圖1所示，C(Conduction band)為導帶，HH(Heavy hole)、LH(Light hole)和SO(Spin-orbit split band)分別為重空穴帶、輕空穴帶和自旋-軌道分裂帶。在壓應變或無應力狀態下，重空穴帶(HH)在上，輕空穴帶(LH)在下，由此被激發時，TE模占主導。封裝過后張應力將導致LH上升，由此造成TE模減小TM模增大。

圖1 應力對半導體能帶的影響[9-12]Fig.1 Effect of stress on semiconductor energy band[9-12]

在半導體激光器巴條封裝過程中，由于巴條寬度約為1 cm，腔長為0.1～0.3 cm，長寬比很大，為計算簡便可用單軸應力模型[9-10]：

ΔEhh,lh(ε)biaxial=

(1)

其中，ΔEhh,lh(ε)biaxial為應變造成的禁帶寬度變化量，ε為封裝引入有源區的應力，C11、C12分別為彈性勁度系數，a、b分別為靜壓形變勢和切形變勢。本實驗采用巴條芯片為GaAs，其各項參數如下：a=-8.33,b=-1.7,C11=11.879,C12=5.376，由胡克定律整理可得

ΔEhh,lh(ε)biaxial=2.0357ε，

(2)

由于半導體激射波長由禁帶寬度決定，代入上式即可得到波長漂移與封裝應力的關系：

(3)

半導體激光器在閾值以上工作時，由于熱效應及載流子的重新分布，偏振特性不能準確得出封裝引入的應變量，而較小電流工作時的增益不足以補償腔內損耗，即只有自發發射時，偏振特性才可以直接反映其受到的應力變化。LD激射光束的偏振特性可用偏振度表示[6-8]：

(4)

ITE、ITM分別表示由光電二極管探測得出的TE、TM模光電流強度。對于同一個激光器，TE模和TM模的自發發射功率主要差別體現在發射速率與光子頻率不同。自發發射速率可表示為[11-12]：

(5)

(6)

(7)

其中d為有源區厚度。依據應變與半導體激光器有源區的帶隙關系[10]，可推導出

ΔEj=ajε+bjε2,j=TE,TM，

(8)

當測出封裝后巴條的偏振度變化后，通過對(4)、 (6)、(7)、(8)方程組求解就可得出封裝后引入有源區的應變值。GaAs材料相關物理參數如表1所示。

表1 砷化鎵材料參數Tab.1 GaAs material parameters

本文建模采用巴條、銦焊料、銅熱沉三層結構，具體實驗參數及模型參照表2及圖2。設定環境溫度從銦焊料的熔點430 K降至室溫298 K。為了接近真實焊接情況以及避免模型無限轉動，邊界約束條件選取A、B、C 3點，AB點連線與X軸平行，BC點連線與Y軸平行，B點約束X、Y、Z軸分量移動，A點約束Y、Z軸分量移動，C點約束Z軸分量移動。

表2 模擬材料參數Tab.2 Material parameters for simulation

有關文獻表明，半導體材料的偏振特性僅由平面應力影響，與垂直應力無關，定義偏振等效應力為Dop=δx-δz[13-15]。激光器芯片的前腔面應力僅對器件的可靠性及COD閾值有較大影響[5]，故選取巴條有源區中心從左至右的路徑提取應力變化情況(圖3)。

圖2 巴條模擬模型Fig.2 Laser bar simulation model

圖3 沿出光面有源區中心偏振等效應力側向分布
Fig.3 Polarization equivalent stress lateral distribution along the surface active region

由模擬結果可知，芯片的偏振等效應力在左右兩端急劇變化，兩端壓應力為主，中心張應力為主。這是由于在焊接溫度降至室溫的過程中，焊料兩端散熱較快首先凝固，而芯片材料的CTE系數比熱沉材料小，造成凝固后芯片兩端下壓中心向上翹曲，使得兩端以壓應力為主，中心則以張應力為主。

3 實驗與結果分析

引起半導體激光器芯片應力變化的原因有很多，本文著重研究由于封裝引起的封裝應力，即從焊接溫度降至室溫時，由于半導體芯片與熱沉的熱膨脹(CTE)系數差異造成熱沉材料和芯片收縮程度不一致而產生的封裝應力，使得半導體芯片晶格收縮或膨脹，進而造成半導體能帶的改變，具體情況如圖1所示。

實驗測試樣管為CS封裝798 nm波長的19單元發光巴條。測試系統包括偏振片、柱透鏡、狹縫、光電二極管探測器，如圖4所示。為排除由于溫度升高所造成的熱應力影響[16-17]，設定工作脈寬500 μs，占空比5%。CS封裝的巴條采用銦焊料P面向下封裝在銅熱沉上，腔面安裝快慢軸準直鏡，底部為微通道板散熱，溫度設定為20 ℃。光束經過偏振片后通過柱透鏡形成放大的巴條發光光斑。通過固定在多軸位移平臺上的狹縫，由移動狹縫及光電二極管探測器獲得巴條側向光強分布。具體實驗裝置如圖4所示。

圖4 偏振測量裝置圖Fig.4 Polarization measurement device

狹縫過小會造成探測器收集的光強過小，使得實驗誤差較大；狹縫過大不能較好地分辨各個單元的光束，在能夠較好分辨出各個發光單元的光束且保證實驗精度的情況下，將狹縫寬度定為100 μm。圖5為巴條成像光斑示意圖。在激光器閾值電流以上工作時，由于腔內反射的原因，占主導的模式被無限擴大，偏振度變化不能較好地反映應力變化；電流過小，由于光電流的測量精度限制，會使得實驗誤差較大，因此選取4 A為激光器測試工作電流。

圖5 巴條成像光斑示意圖Fig.5 Image of the bar graph image

本實驗采用的激光器為TE模式，正常工作狀態下TE模占主導。如圖6所示，巴條偏振度顯示為兩端較高、中間較低的趨勢。由于測試光電流精度受到限制，造成圖中13～17單元偏振度趨于一致。2～4、13～18單元處偏振度急劇下降，說明此處受到較大的張應力，利用偏振度計算可得出第4單元偏振等效應力最大值為26.73 MPa；1與19單元偏振度較高，說明此處受到張應力較小或受到壓應力，使得TE模增強，TM模下降；中間各單元較為平緩，說明封裝應力分布較為平均。

圖6 各發光單元偏振度曲線Fig.6 Polarization curve under 4 A

圖7為巴條各個發光單元峰值波長分布圖。可以看出，2～4單元由于受到封裝應力的影響波長紅移至799.68 nm。通過公式(8)，可計算出應力差為141.92 MPa，巴條整體波長分布在799 nm附近，通過計算可得封裝應力為42.30～141.92 MPa。

圖7 各發光單元波長Fig.7 Wavelength of each light emitting unit

圖8 第4發光單元光譜Fig.8 The fourth light emitting unit spectrum

圖9 各發光單元閾值電流分布曲線Fig.9 Threshold current distribution curve of each light emitting unit

其中偏振度最低的第4發光單元的光譜如圖8所示。由于張應力過大，輕空穴上升至重空穴之上，電子從導帶向下躍遷至價帶時，同時與輕、重空穴發生復合，故出現雙峰現象。有關文獻[15]表明，隨著張應力的增大，芯片的激射波長及閾值發生明顯的線性增大。結合圖2、6、7、9可知，張應力與波長及閾值電流成正相關，與偏振度成負相關，實驗測試結果與理論較為吻合。造成應力過大的原因可能是由于焊料未充分浸潤以及有細小空洞等。

4 結 論

半導體激光器芯片在封裝過程中引入較大的封裝應力會對器件的偏振度、閾值電流、激射波長等性能產生重要影響，并且由于封裝應力過大可能會引起暗線缺陷等造成器件突然失效或使用壽命降低。本文通過半導體激光器波長、偏振度與應力的關系分析，并在實驗中通過激光器閾值電流、波長、偏振度分布測試，得出CS封裝巴條的封裝應力(最大141.92 MPa)，偏振等效應力最大為26.73 MPa，可能是由于焊料未充分浸潤等原因造成的。測試表明，器件在閾值以下的偏振度較好地反映了封裝應力的分布趨勢，利用閾值電流以下測量器件的發光偏振特性，可以為選擇熱沉及焊料、焊接工藝參數的改進等方面提供較為快捷而有效的評價手段。因此在封裝過程中，選擇合適的封裝工藝參數是保證器件性能的基本要求。

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張哲銘(1993-)，男，山西侯馬人，碩士研究生，2015年于長春理工大學獲得學士學位，主要從事半導體激光器方面的研究。

E-mail:zhangzhemingok@foxmail.com

高欣(1965-)，女，吉林省吉林市人，教授，博士生導師，2007年于長春理工大學獲得博士學位，主要從事高功率半導體激光器物理與技術的研究。

E-mail:gaoxin@cust.edu.cn